Wetenschap
Onderzoekers dagen de grenzen van het moleculaire geheugen uit en openen de deur voor de ontwikkeling van moleculaire chips
Sommige moleculen reageren op externe lichtpulsen door hun structuur te veranderen en bepaalde toestanden vast te houden die van de ene naar de andere kunnen worden geschakeld. Deze worden gewoonlijk fotoschakelaars genoemd en hebben meestal twee mogelijke statussen. Onlangs hebben wetenschappers van het Instituut voor Organische Chemie en Biochemie van de Tsjechische Academie van Wetenschappen (IOCB Praag) echter een molecuul ontwikkeld dat de mogelijkheden van fotoschakelaars een stap verder brengt.
Het nieuwe molecuul kan niet tussen twee, maar tussen drie verschillende toestanden worden geschakeld. Dit geeft het de mogelijkheid om veel complexere informatie in zijn moleculaire structuur vast te houden dan tot nu toe mogelijk was. Een artikel over dit onderwerp, co-auteur van Ph.D. student Jakub Copko en Dr. Tomáš Slanina, is nu gepubliceerd in Chemical Communications .
Hoewel wetenschappers wisten dat vergelijkbare moleculen een derde toestand zouden kunnen bereiken, kozen ze ervoor om deze niet te bestuderen. De redenering was dat ze geen controle konden behouden over de overgangen tussen de individuele moleculaire vormen en dat de aanwezigheid van een derde vorm het gedrag van moleculen alleen maar ingewikkelder maakte. Nu hebben onderzoekers van de groep onder leiding van Dr. Slanina dit obstakel overwonnen.
"We zijn in staat om moleculen nauwkeurig en selectief tussen drie toestanden te schakelen zoals we willen", zegt een van de auteurs van het artikel, Jakub Copko.
Structurele veranderingen in fotoschakelaars manifesteren zich meestal als veranderingen in hun macroscopische eigenschappen. Bij blootstelling aan licht met bepaalde parameters kan een molecuul bijvoorbeeld van kleur veranderen, wat zelfs met het blote oog zichtbaar kan zijn. Blauw kan bijvoorbeeld geel worden en omgekeerd, en de twee kleuren kunnen respectievelijk als nullen en enen worden behandeld. Individuele moleculen functioneren dus op dezelfde manier als geheugenbits en zijn bovendien gemakkelijk te lezen.
"Er is echter één verschil, namelijk dat ze dankzij hun minuscule formaat een orde van grootte meer informatie kunnen opslaan dan op silicium gebaseerde chips", zegt dr. Slanina. "Dit werkt allemaal alleen met fotoschakelaars die stabiel genoeg zijn om niet spontaan tussen individuele toestanden te schakelen als er geen licht is."
"Het was juist deze eis waar tot nu toe zo moeilijk aan kon worden voldaan, dus experts hadden zelfs nog nooit geprobeerd een overgang naar een derde toestand binnen één molecuul te bewerkstelligen. Dit is alleen mogelijk dankzij onze huidige ontdekking."
Bij de overgang van de tweede toestand naar de derde verandert niet de kleur, maar de geometrie van het molecuul aanzienlijk. Dit is vooral handig wanneer het geschikt is om een molecuul zo te 'vormen' dat het ofwel in een actief doelcentrum past, of omgekeerd, zodat het eruit wordt geduwd.
Een lichtpuls met een specifieke golflengte veroorzaakt dit allemaal. Het scala aan mogelijke praktische toepassingen is groot. Omdat het echter zo'n recente ontdekking is, beginnen experts nog maar pas het potentieel ervan te ontdekken.
Wetenschappers van de Slanina Group doen al heel lang onderzoek naar fotoschakelaars. Concreet hebben ze zich geconcentreerd op stoffen die bekend staan als fulgiden, die door slechts een handvol laboratoria over de hele wereld worden bestudeerd, ook al hebben ze over het algemeen betere eigenschappen vergeleken met andere fotoschakelaars. De reden is eenvoudig:de voorbereiding ervan was tot nu toe enorm ingewikkeld.
Copko is er echter ook in geslaagd dit obstakel weg te nemen. Hij legt uit:"Toen ik aan mijn doctoraatsstudie begon, kostte het me wel een maand om één fulgide te bereiden. Dankzij onze chemische snelkoppeling is het nu in een middag klaar."
Hij maakt gebruik van een zogenaamde éénpotreactie, wat betekent dat alle chemische transformaties plaatsvinden in één enkele fles, waardoor het niet meer nodig is om alle tussenproducten te isoleren en te zuiveren. Dit versnelt niet alleen de voorbereiding aanzienlijk, maar resulteert ook in een schonere reactie met een groter rendement en vermindert de impact op het milieu.
Slanina voegt eraan toe:"We streven ernaar ervoor te zorgen dat fulgiden niet alleen maar een groep stoffen zijn die naar de leerboeken wordt verwezen, maar een groep die breder bekend wordt. Het kan het veld van fotoschakelaars wereldwijd vooruit helpen." Dankzij het werk van zijn groep is de bereiding van dit type fotoschakelaar nu zo eenvoudig dat het in elk laboratorium voor synthetische chemie kan worden gedaan, zelfs zonder enige eerdere ervaring met de chemie van fotoschakelaars.