Avance en Memoria Molecular: Entrando a una Nueva Era de Almacenamiento de Datos

Los fotos interruptores Fulgimide pueden existir en tres formas diferentes. Este estudio desarrolló un método para cambiar de forma cuantitativa entre las diferentes formas controlando la multiplicidad y las condiciones de fotoisomerización. Crédito: Lucie Wohlrábová / IOCB Praga

Algunas moléculas responden a pulsos de luz externa cambiando su estructura y manteniendo ciertos estados que pueden cambiarse de uno a otro. Estos se conocen comúnmente como fotos interruptores y generalmente tienen dos estados posibles. Sin embargo, recientemente, los científicos del Instituto de Química Orgánica y Bioquímica de la Academia de Ciencias de la República Checa (IOCB Praga) han desarrollado una molécula que lleva las posibilidades de los fotos interruptores un paso más allá. La nueva molécula puede cambiar no entre dos, sino entre tres estados distintos. Esto le da la capacidad de contener mucha más información compleja en su estructura molecular de lo que ha sido posible hasta ahora.

Aunque los científicos sabían que moléculas similares podían entrar en un tercer estado, optaron por no estudiarlo. La razón era que no podían mantener el control de las transiciones entre las formas moleculares individuales y que la presencia de una tercera forma solo complicaba el comportamiento de las moléculas. Ahora, los investigadores del grupo liderado por el Dr. Tomáš Slanina han superado este obstáculo. Un artículo sobre el tema, coautorizado por el estudiante de doctorado Jakub Copko y el Dr. Tomáš Slanina, ha sido publicado ahora en la revista Chemical Communications.

“Somos capaces de cambiar de forma precisa y selectiva las moléculas entre tres estados a voluntad”, dice uno de los autores del artículo, Jakub Copko.

Los cambios estructurales en los fotos interruptores generalmente se manifiestan como alteraciones de sus propiedades macroscópicas. Cuando se expone a luz de ciertos parámetros, una molécula puede, por ejemplo, cambiar de color, lo que incluso puede ser visible a simple vista. Por ejemplo, el azul puede convertirse en amarillo y viceversa, y los dos colores pueden tratarse como ceros y unos, respectivamente. Las moléculas individuales funcionan de la misma manera que los bits de memoria y también son fáciles de leer.

“Sin embargo, hay una diferencia, a saber, que gracias a su tamaño minúsculo pueden almacenar un orden de magnitud más de información que los chips basados ​​en silicio”, dice el Dr. Tomáš Slanina, señalando que: “Todo esto solo funciona con fotos interruptores que son lo suficientemente estables como para no cambiar entre estados individuales espontáneamente en ausencia de luz. Esta ha sido hasta ahora la exigencia más difícil de cumplir, por lo que los expertos ni siquiera habían intentado lograr una transición hacia un tercer estado dentro de una molécula. Esto solo es posible gracias a nuestro descubrimiento actual”.

En la transición del segundo estado al tercero, no es el color, sino la geometría de la molécula lo que cambia significativamente. Esto es especialmente conveniente siempre que sea conveniente 'dar forma' a una molécula para que se ajuste a un centro activo objetivo o, por el contrario, para que sea expulsada de él. Todo esto se desencadena con un pulso de luz de una longitud de onda específica. El rango de posibles aplicaciones prácticas es amplio. Sin embargo, como es un descubrimiento tan reciente, los expertos solo están comenzando a descubrir su potencial.

Jakub Copko (izquierda) y Tomáš Slanina, jefe del grupo de Fotoquímica Redox en IOCB Praga. Crédito: Tomáš Belloň / IOCB Praga

Los científicos del grupo de Tomáš Slanina han estado investigando los fotos interruptores durante mucho tiempo. En concreto, se han centrado en sustancias conocidas como fulgides, que solo están siendo estudiadas por un puñado de laboratorios de todo el mundo a pesar de que generalmente tienen mejores propiedades en comparación con otros fotos interruptores. La razón es sencilla: Hasta ahora, su preparación ha sido enormemente complicada.

De todos modos, Jakub Copko ha logrado eliminar este obstáculo también. Explica: “Cuando comencé mis estudios de doctorado, me llevó hasta un mes preparar un fulgide simple. Ahora, gracias a nuestro atajo químico, está listo en una tarde”.

Utiliza lo que se llama una reacción en un solo recipiente, lo que significa que todas las transformaciones químicas tienen lugar en un solo frasco, lo que elimina la necesidad de aislar y purificar todos los productos intermedios. Esto no solo acelera notablemente la preparación, sino que también da lugar a una reacción más limpia con un mayor rendimiento y disminuye el impacto ambiental.

Tomáš Slanina añade: “Estamos esforzándonos para asegurar que los fulgides no sean simplemente un grupo de sustancias relegadas a los libros de texto, sino uno que reciba más exposición. Puede avanzar el campo de los fotos interruptores a nivel mundial”.

Gracias al trabajo de su grupo, la preparación de este tipo de fotos interruptores es ahora tan simple que se puede realizar en cualquier laboratorio de química sintética incluso sin ninguna experiencia previa con la química de los fotos interruptores.

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