Moleculaire schakelaars - ze zijn de moleculaire tegenhangers van elektrische schakelaars en spelen een belangrijke rol in veel processen in de natuur. Dergelijke moleculen kunnen omkeerbaar tussen twee of meer toestanden in elkaar overgaan en daardoor moleculaire processen beheersen. In levende organismen, bijvoorbeeld, ze spelen een rol bij spiercontractie maar ook onze visuele waarneming is gebaseerd op de dynamiek van een moleculaire schakelaar in het oog. Wetenschappers werken intensief aan de ontwikkeling van nieuwe moleculaire componenten die het schakelen tussen verschillende toestanden mogelijk maken, zodat moleculaire processen gericht gestuurd kunnen worden.

Een Europees onderzoeksteam onder leiding van nanotechnoloog Dr. Saeed Amirjalayer van de Universiteit van Münster (Duitsland) heeft nu een dieper inzicht gekregen in de processen van een moleculaire schakelaar:met behulp van moleculaire dynamische simulaties, de wetenschappers produceerden een fotografische film op atomair niveau en volgden zo de beweging van een moleculaire bouwsteen. Het resultaat was een lichtgestuurde 'pedalo-achtige beweging, ' vooruit en achteruit gaan. Hoewel het in eerder werk in deze context al was voorspeld, het kon tot nu toe niet direct worden bewezen.

In de toekomst, de resultaten kunnen helpen om de eigenschappen van materialen te beheersen met behulp van moleculaire schakelaars, bijvoorbeeld om medicijnen specifiek uit nanocapsules vrij te maken. "Voor een efficiënte inbedding in nieuwe responsieve materialen, gedetailleerde opheldering van het schakelproces en dus de manier waarop ze functioneren op moleculair en atomair niveau is cruciaal, " benadrukt Dr. Saeed Amirjalayer, groepsleider bij het Instituut voor Natuurkunde van de Universiteit van Münster en het Centrum voor Nanotechnologie (CeNTech). Het onderzoek is gepubliceerd in de The Journal of Physical Chemistry Letters .

Moleculaire dynamische simulaties maken het mogelijk, door de interacties tussen atomen en moleculen te berekenen, om hun beweging in de computer te beschrijven. In hun huidige studie de wetenschappers onderzochten op deze manier een op azodicarboxamide gebaseerde moleculaire schakelaar, met behulp van een zogenaamde gecombineerde kwantummechanische/moleculaire mechanische methode in de simulaties. "Eerdere experimentele en theoretische studies gaven slechts indirect inzicht in het werkingsmechanisme van zo'n schakelaar in oplossing. Met behulp van onze theoretische benadering, we kunnen nu de door licht geïnduceerde dynamiek volgen terwijl we rekening houden met de moleculaire omgeving, " legt Saeed Amirjalayer uit.

De pedalo-achtige beweging van de schakelaar, getriggerd door licht, beweegt heen en weer, zoals een fietspedaal. Gedetailleerd begrip van het werkingsmechanisme van een fotogevoelige schakelaar vormt een belangrijke basis voor de toepassing van deze moleculaire bouwstenen in nieuwe "intelligente" functionele materialen.

Naast de Universiteit van Münster, de universiteiten van Bologna (Italië) en Amsterdam (Nederland) waren betrokken bij het onderzoek. "Ondanks de huidige omstandigheden in de nasleep van de Corona-crisis, de grensoverschrijdende uitwisseling met collega's uit Europa zou kunnen plaatsvinden - virtueel, maar toch heel intensief. Samen hebben we interessante en waardevolle resultaten behaald, ", zegt Saeed Amirjalayer de samenwerking samenvattend.