Een moleculaire schakelaar is een molecuul dat omkeerbaar kan worden verschoven tussen twee of meer stabiele toestanden als reactie op externe stimuli, zoals een verandering van de pH, licht of elektrische stroom. Deze moleculen zijn van belang op het gebied van nanotechnologie voor toepassing in moleculaire computers of responsieve medicijnafgiftesystemen. Als het molecuul in een van de twee toestanden (aan/uit) fluorescerend is, de verbindingen worden dan fluorescerende moleculaire schakelaars genoemd, en hun toepassingen zijn nog interessanter op het gebied van life sciences, vooral als ze in kleine ruimtes kunnen werken. Bijvoorbeeld, ze kunnen worden gebruikt voor biosensing en als beeldvormende sondes in cellen.

Wetenschappers van het Institute of Materials Science van Barcelona (ICMAB, CSIC) en de Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) hebben een reeks uiterst stabiele fluorescerende moleculaire schakelaars ontwikkeld die elektrochemisch kunnen worden bestuurd door een potentiaal aan te leggen. Dit is mogelijk door de aanwezigheid van een zeer specifiek redox-actief anion - een negatief geladen molecuul, die zeer snel oxideert en vermindert. In dit geval, het anion is het zogenaamde COSAN-anion (de volledige naam is cobaltabisdicarbolide, en chemische formule [3, 3'-Co(C ₂ B ₉ H ₁₁ ) ₂ ] ^- ), een boorclustergebaseerd complex met een Co(III)-centrum, die de ongebruikelijke eigenschap heeft om zichzelf te assembleren tot blaasjes en micellen.

Deze systemen zijn de eerste voorbeelden van slimme redox-gecontroleerde fluorescerende moleculaire schakelaars die zijn verkregen uit op boorclusters gebaseerde verbindingen. Door de aanwezigheid van de COSAN, ze zijn extreem stabiel, oplosbaar in een groot aantal organische oplosmiddelen, en vertonen een grote omkeerbare fluorescentiemodulatie. Aanvullend, deze moleculen kunnen gels vormen met 1D nanostructuren door zelfassemblage, die in sommige gevallen het lichtgevende gedrag kan behouden.

Dit onderzoekswerk is het resultaat van een samenwerking tussen Dr. Rosario Núñez van het Anorganic Materials and Catalysis Laboratory (LMI) van ICMAB-CSIC en Dr. Jordi Hernando van de Group of Electrochemistry, Fotochemie en organische reactiviteit (GEFRO) bij de afdeling Chemie van de UAB. De ervaring van de LMI-groep aan de ICMAB in de chemie, elektrochemie en fotoluminescentie van op boorclusters gebaseerde materialen, en de ervaring van de GEFRO-groep aan de UAB in de studie van luminescente en elektrochemische eigenschappen van fluorescerende kleurstoffen zoals peryleenderivaten, kwamen samen in een zeer positieve synergie die het mogelijk heeft gemaakt de bijzonderheden van beide onderzoeksgebieden te koppelen om deze nieuwe slimme moleculen te produceren met een uitstekend elektro-optisch gedrag.

"Door de aanwezigheid van de COSAN, de eigenschappen van deze verbindingen demonstreren ondubbelzinnig hun vermogen om zich te gedragen als redox-geïnduceerde fluorescerende schakelaars, die van nut kunnen zijn voor het ontwerp van moleculaire geheugens en informatieverwerkingsapparatuur, biosensing- en beeldvormingssondes, of elektrofluorochrome displays, " zegt Rosario Núñez, onderzoeker bij het ICMAB.

"Bovendien, deze systemen overtreffen de prestaties van eerdere systemen die zijn gebaseerd op conjugaten van perylendiimiden met andere op metaal gebaseerde redoxeenheden zoals ferroceen; aan de ene kant, ze vertonen grotere omkeerbare fluorescentiemodulatie met minimale degradatie, terwijl hun oplosbaarheid in polaire media dramatisch wordt verbeterd, een essentiële vereiste voor toekomstige toepassingen in biologische systemen, " legt Jordi Hernando uit, onderzoeker aan de UAB.