Molekularer Speicher-Durchbruch: Eintritt in eine neue Ära der Datenspeicherung

Fulgimid-Fotoschalter können in drei verschiedenen Formen existieren. In dieser Studie wurde eine Methode entwickelt, um quantitativ zwischen den verschiedenen Formen zu wechseln, indem die Vielfachheit und die Photoisomerisierungsbedingungen kontrolliert werden. Credit: Lucie Wohlrábová / IOCB Prag

Einige Moleküle reagieren auf externe Lichtimpulse, indem sie ihre Struktur verändern und bestimmte Zustände einnehmen, die von einem zum anderen gewechselt werden können. Diese sind allgemein als Fotoschalter bekannt und haben normalerweise zwei mögliche Zustände. Jüngst haben jedoch Wissenschaftler des Instituts für Organische Chemie und Biochemie der Tschechischen Akademie der Wissenschaften (IOCB Prag) ein Molekül entwickelt, das die Möglichkeiten von Fotoschaltern weiter vorantreibt. Das neue Molekül kann nicht zwischen zwei, sondern zwischen drei verschiedenen Zuständen geschaltet werden. Dadurch kann es viel komplexere Informationen in seiner molekularen Struktur speichern, als bisher möglich war.

Obwohl Wissenschaftler wussten, dass ähnliche Moleküle einen dritten Zustand einnehmen können, entschieden sie sich gegen dessen Untersuchung. Der Grund dafür lag darin, dass sie die Übergänge zwischen den einzelnen molekularen Formen nicht kontrollieren konnten und die Anwesenheit einer dritten Form das Verhalten der Moleküle nur komplizierte. Nun haben Forscher der von Dr. Tomáš Slanina geleiteten Gruppe dieses Hindernis überwunden. Ein Artikel zu diesem Thema, der von Doktorand Jakub Copko und Dr. Tomáš Slanina mitverfasst wurde, ist nun in der Zeitschrift Chemical Communications veröffentlicht worden.

„Wir sind in der Lage, Moleküle präzise und selektiv zwischen drei Zuständen zu schalten, wie wir es möchten“, erklärt einer der Autoren des Artikels, Jakub Copko.

Strukturveränderungen in Fotoschaltern äußern sich normalerweise in Veränderungen ihrer makroskopischen Eigenschaften. Wenn ein Molekül Licht bestimmter Parameter ausgesetzt wird, kann es zum Beispiel seine Farbe ändern, was sogar mit bloßem Auge sichtbar sein kann. Beispielsweise kann Blau zu Gelb und umgekehrt wechseln, wobei die beiden Farben als Nullen und Einsen behandelt werden können. Einzelne Moleküle funktionieren also genauso wie Speicherbits und lassen sich auch leicht lesen.

„Es gibt jedoch einen Unterschied, nämlich dass sie dank ihrer winzigen Größe um eine Größenordnung mehr Informationen speichern können als Siliziumchips“, sagt Dr. Tomáš Slanina und weist darauf hin: „Das alles funktioniert allerdings nur mit Fotoschaltern, die stabil genug sind, um nicht spontan zwischen einzelnen Zuständen zu wechseln, wenn kein Licht vorhanden ist. Dies war bisher sehr schwierig zu erfüllen, so dass Experten noch nicht einmal versucht haben, einen Übergang in einen dritten Zustand innerhalb eines Moleküls zu erreichen. Dies ist nur möglich dank unserer aktuellen Entdeckung.“

Beim Übergang vom zweiten zum dritten Zustand ändert sich nicht die Farbe, sondern die Geometrie des Moleküls erheblich. Dies ist vor allem dann günstig, wenn es angebracht ist, ein Molekül so zu ‚formen‘, dass es entweder in ein aktives Zentrum passt oder, im Gegenteil, aus ihm herausgedrängt wird. Alles dies wird durch einen Lichtimpuls einer bestimmten Wellenlänge ausgelöst. Das Spektrum möglicher praktischer Anwendungen ist breit. Da es jedoch eine so neue Entdeckung ist, beginnen Experten erst, ihr Potenzial zu entdecken.

Jakub Copko (links) und Tomáš Slanina, Leiter der Redox-Fotochemie-Gruppe am IOCB Prag. Credit: Tomáš Belloň / IOCB Prag

Wissenschaftler der Gruppe Tomáš Slanina haben schon lange Fotoschalter erforscht. Dabei haben sie sich speziell auf Substanzen konzentriert, die als Fulgide bekannt sind und nur von wenigen Laboren weltweit untersucht werden, obwohl sie im Allgemeinen bessere Eigenschaften im Vergleich zu anderen Fotoschaltern aufweisen. Der Grund ist eindeutig: Ihre Herstellung war bisher sehr kompliziert.

Jakub Copko konnte jedoch auch dieses Hindernis beseitigen. Er erklärt: „Als ich mit meinem Doktoratsstudium begann, brauchte ich bis zu einem Monat, um ein einziges Fulgid herzustellen. Jetzt, dank unserer chemischen Abkürzung, ist es an einem Nachmittag fertig.“

Er verwendet eine sogenannte Ein-Topf-Reaktion, was bedeutet, dass alle chemischen Transformationen in einem einzigen Kolben stattfinden, ohne dass alle Zwischenprodukte isoliert und gereinigt werden müssen. Dies beschleunigt nicht nur die Herstellung erheblich, sondern führt auch zu einer saubereren Reaktion mit einer höheren Ausbeute und verringert die Umweltauswirkungen.

Tomáš Slanina fügt hinzu: „Wir bemühen uns, dass Fulgide nicht nur eine Gruppe von Substanzen sind, die auf die Lehrbücher beschränkt ist, sondern eine, die breitere Aufmerksamkeit erfährt. Es kann das Feld der Fotoschalter weltweit voranbringen.“

Dank der Arbeit seiner Gruppe ist die Herstellung dieser Art von Fotoschaltern nun so einfach, dass sie in jedem synthetischen Chemielabor durchgeführt werden kann, auch ohne vorherige Erfahrung mit der Fotoschaltchemie.

Reference: “Multiplicity-driven photochromism controls three-state fulgimide photoswitches” by Jakub Copko and Tomáš Slanina, 13 February 2024, Chemical Communications. DOI: 10.1039/D3CC05975H