Door licht geactiveerde schakelaars zijn te klein om met het blote oog te kunnen zien, maar de moleculaire systemen zijn hard aan het werk in onderzoek met betrekking tot medicijnontwerp, adaptieve materialen en gegevensopslag. Om de belofte van nieuwe generaties medische therapieën en geheugensystemen te ontsluiten, onderzoekers moeten eerst de nadelen overwinnen van de microscopische apparaten die moeilijk te produceren zijn en niet veelzijdig zijn.

Onderzoekers van Dartmouth College hebben een nieuwe moleculaire schakelaar ontwikkeld op basis van de hydrazon-functionele groep die de belangrijkste eigenschappen van de huidige klasse van door licht geactiveerde schakelaars combineert en veel van de daarmee samenhangende problemen oplost. Het nieuw ontwikkelde molecuul is eenvoudig te maken, eenvoudig om mee te werken, toont "aan-uit" fluorescentie-emissie omschakelen, en kan worden gebruikt om te schrijven, informatie lezen en wissen in zowel vloeibare als vaste toestand.

Kijkend naar de toekomst, schakelaars zoals deze kunnen mogelijk worden gebruikt voor de ontwikkeling van geavanceerde fotomedicatie die medicijnen aflevert met precisie op cellulair niveau. In de komende jaren, hydrazone-schakelaars kunnen ook leiden tot de ontwikkeling van geheugenapparaten met hoge dichtheid met het volume van een stofje.

Zoals gedetailleerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , Dartmouth's hydrazonsysteem, "pak het meest, zo niet alle, de gewenste, gerichte en gewilde eigenschappen van fotochrome verbindingen."

"Dit is een schakelaar die alles kan, " zei Ivan Aprahamian, een universitair hoofddocent scheikunde en hoofd van het onderzoeksteam in Dartmouth. "Wat we hebben ontwikkeld, is een nieuwe tool die alle goede eigenschappen van bekende schakelaars combineert zonder hun bijwerkingen, en in een eenvoudige, rechttoe rechtaan ontwerp."

Vergelijkbaar met het omdraaien van een fysieke schakelaar, fotochrome schakelaars vertrouwen op lichten van verschillende golflengten om moleculen tussen de "aan" en "uit" posities te verplaatsen. De fluorescerende feedback die tijdens het schakelproces wordt geproduceerd, kan worden gebruikt om enorme hoeveelheden gegevens op microscopische schaal op te slaan en te lezen en zelfs om signalen te geven over waar een medicijn wordt toegediend nadat het medicijn in het lichaam van een patiënt is binnengekomen. een belangrijk instrument voor het targeten van drugs.

Om de schakelaar in de Dartmouth-studie om te zetten, onderzoekers gebruikten een "blauw licht" dat op dezelfde 450 nm-golflengte van een laserpointer werkte om de informatie te schrijven door de schakelaar te activeren. Een tweede 365 nm ultraviolette golflengte werd gebruikt om de informatie te wissen door de schakelaar uit te zetten.

In de krant, de onderzoekers toonden aan dat de omschakeling werkt in zowel water als foetale runderserumbuffer - een veelgebruikt biomedium - wat bevestigt dat het moleculaire systeem nuttig kan zijn als hulpmiddel voor medicijnafgifte.

Naast het goed presteren in oplossing, de onderzoekers ontdekten dat de hydrazonschakelaar ook werkt op films in vaste toestand. Moleculen die grote structurele veranderingen ondergaan, werken meestal niet in vaste toestand zonder complexe manipulatie. Door deze toegevoegde functionaliteit kan het effectief worden gebruikt voor gegevensopslag.

"Zo'n aan-uit fluorescentierespons in zowel oplossing als vaste toestand voor fotochrome verbindingen is hoogst ongebruikelijk, " zei Baihao Shao, een doctoraat student aan Dartmouth en de eerste auteur van de studie.

Het team kon zowel lichtbronnen met één foton als met twee fotonen gebruiken om de nieuwe schakelaar te bedienen. Het nabij-infrarood, het twee-fotonensysteem zorgt ervoor dat het licht dieper in het weefsel kan doordringen en maakt het veiliger voor gebruik bij mensen. Activering van twee fotonen maakt ook 3D-microscopietechnieken mogelijk die belangrijk zijn voor geavanceerde gegevensopslag.

Het onderzoekspaper merkt op dat de hydrazonschakelaar een halfwaardetijd heeft van 75 jaar in oplossing bij kamertemperatuur. In vaste toestand, het geheugen van de switch kan onbepaald zijn. Een dergelijke stabiliteit is een ander belangrijk kenmerk dat bijdraagt ​​aan de algehele functionaliteit voor gegevensopslag op de lange termijn.

"We zijn enorm enthousiast over de resultaten en de ontvangst die het krijgt van de wetenschappelijke gemeenschap. Op basis van deze en nog niet gepubliceerde resultaten, we voelen dat deze technologie de belofte heeft om echt transformerend te zijn, ' zei Aprahamian.

Tijdens het experiment, enige wissing vond plaats tijdens het lezen omdat het excitatielicht ook resulteert in langzaam schakelen, een uitdaging creëren die de onderzoekers proberen te minimaliseren.

Massimo Baroncini, Hai Qian, Laura Bussotti, Mariangela Di Donato en Alberto Credi droegen ook bij aan dit onderzoek. Het onderzoek is gedaan in samenwerking met de Universiteit van Bologna.