Vissa molekyler svarar på externa ljuspulser genom att ändra sin struktur och hålla vissa tillstånd som kan växlas från en till en annan. Dessa kallas vanligtvis fotoswitchar och har vanligtvis två möjliga tillstånd. Nyligen har dock forskare från Institutet för organisk kemi och biokemi vid den tjeckiska vetenskapsakademin (IOCB Prag) utvecklat en molekyl som tar fotoswitchars möjligheter ett steg längre.
Den nya molekylen kan växlas inte mellan två utan mellan tre distinkta tillstånd. Detta ger den förmågan att hålla mycket mer komplex information i sin molekylära struktur än vad som hittills varit möjligt. En artikel om ämnet, medförfattare av Ph.D. student Jakub Copko och Dr. Tomáš Slanina, har nu publicerats i Chemical Communications .
Även om forskare hade vetat att liknande molekyler kunde komma in i ett tredje tillstånd, valde de att inte studera det. Resonemanget var att de inte kunde behålla kontroll över övergångarna mellan de enskilda molekylformerna och att närvaron av en tredje form bara komplicerade molekylernas beteende. Nu har forskare från gruppen ledd av Dr Slanina övervunnit detta hinder.
"Vi kan exakt och selektivt byta molekyler mellan tre tillstånd som vi vill", säger en av författarna till tidningen, Jakub Copko.
Strukturella förändringar i fotoomkopplare manifesteras vanligtvis som förändringar av deras makroskopiska egenskaper. När den utsätts för ljus av vissa parametrar kan en molekyl till exempel ändra sin färg, vilket till och med kan vara synligt för blotta ögat. Till exempel kan blått bli gult och vice versa, och de två färgerna kan behandlas som nollor respektive ettor. Enskilda molekyler fungerar alltså på samma sätt som minnesbitar och är dessutom lätta att läsa.
"Det finns dock en skillnad, nämligen att tack vare sin ringa storlek kan de lagra en storleksordning mer information än kiselbaserade chips", säger Dr Slanina. "Detta fungerar bara med fotoswitchar som är tillräckligt stabila för att inte växla mellan individuella tillstånd spontant i frånvaro av ljus."
"Det var just detta krav som hittills har varit så svårt att uppfylla, så experter hade aldrig ens försökt uppnå en övergång till ett tredje tillstånd inom en molekyl. Detta är bara möjligt tack vare vår nuvarande upptäckt."
Vid övergången från det andra tillståndet till det tredje är det inte färgen, utan molekylens geometri som förändras avsevärt. Detta är särskilt praktiskt när det är lämpligt att "forma" en molekyl så att den antingen passar in i ett aktivt målcentrum eller omvänt så att den trycks ut ur den.
En ljuspuls av en specifik våglängd utlöser allt detta. Utbudet av möjliga praktiska tillämpningar är brett. Men eftersom det är en så ny upptäckt börjar experter bara upptäcka dess potential.
Forskare från Slanina-gruppen har forskat på fotoswitchar under lång tid. Specifikt har de fokuserat på ämnen som kallas fulgider, som bara studeras av en handfull laboratorier runt om i världen, även om de generellt sett har bättre egenskaper jämfört med andra fotoswitchar. Anledningen är enkel:Deras förberedelser har hittills varit mycket komplicerade.
Men Copko har lyckats ta bort detta hinder också. Han förklarar, "När jag började mina doktorandstudier tog det mig upp till en månad att förbereda en enda fulgid. Nu, tack vare vår kemiska genväg, är den klar på en eftermiddag."
Han använder det som kallas en enkärlsreaktion, vilket innebär att alla kemiska omvandlingar sker i en enda kolv, vilket eliminerar behovet av att isolera och rena alla mellanprodukter. Detta påskyndar inte bara beredningen markant utan resulterar också i en renare reaktion med högre utbyte och minskar miljöpåverkan.
Slanina tillägger, "Vi strävar efter att säkerställa att fulgider inte bara är en grupp av ämnen som förpassas till läroböckerna, utan en som får bredare exponering. Det kan avancera området för fotoväxlare globalt." Tack vare hans grupps arbete är framställningen av denna typ av fotoväxel nu så enkel att den kan göras i vilket syntetiskt kemilabb som helst, även utan tidigare erfarenhet av fotoväxlingskemi.
Mer information: Jakub Copko et al, Multiplicity-driven photochromism styr tre-tillstånd fulgimid fotoswitchar, Chemical Communications (2024). DOI:10.1039/D3CC05975H
Journalinformation: Kemisk kommunikation
Tillhandahålls av Institutet för organisk kemi och biokemi vid Tjeckiska vetenskapsakademin (IOCB Prag)
