Percée de la Mémoire Moléculaire: Entrée dans une Nouvelle Ère de Stockage de Données

Les photoswitchs de Fulgimide peuvent exister sous trois formes différentes. Cette étude a développé une méthode pour basculer quantitativement entre les différentes formes en contrôlant la multiplicité et les conditions de photoisomérisation. Crédit : Lucie Wohlrábová / IOCB Prague

Certaines molécules réagissent aux impulsions de lumière externe en changeant leur structure et en maintenant certains états qui peuvent être basculés de l'un à l'autre. Ils sont couramment appelés des photoswitchs et ont généralement deux états possibles. Récemment, cependant, des scientifiques de l'Institut de Chimie Organique et de Biochimie de l'Académie des Sciences Tchèques (IOCB Prague) ont développé une molécule qui va plus loin dans les possibilités des photoswitchs. La nouvelle molécule peut être basculée non pas entre deux, mais entre trois états distincts. Cela lui donne la capacité de contenir des informations beaucoup plus complexes dans sa structure moléculaire que ce qui a été possible jusqu'à présent.

Bien que les scientifiques savaient que des molécules similaires pouvaient entrer dans un troisième état, ils ont choisi de ne pas l'étudier. La raison en était qu'ils ne pouvaient pas maintenir le contrôle sur les transitions entre les formes moléculaires individuelles et que la présence d'une troisième forme ne faisait que compliquer le comportement des molécules. Maintenant, les chercheurs du groupe dirigé par le Dr. Tomáš Slanina ont surmonté cet obstacle. Un document sur le sujet, co-rédigé par l'étudiant en doctorat Jakub Copko et le Dr. Tomáš Slanina, a maintenant été publié dans la revue Chemical Communications.

"Nous sommes capables de basculer précisément et sélectivement les molécules entre trois états à notre guise", déclare l'un des auteurs du document, Jakub Copko.

Les changements structurels dans les photoswitchs se manifestent généralement sous forme de modifications de leurs propriétés macroscopiques. Lorsqu'une molécule est exposée à une lumière de certains paramètres, elle peut par exemple changer de couleur, ce qui peut être visible à l'œil nu. Par exemple, le bleu peut devenir jaune et vice versa, et les deux couleurs peuvent être traitées comme des zéros et des uns, respectivement. Les molécules individuelles fonctionnent donc de la même manière que les bits de mémoire et sont également faciles à lire.

"Il y a cependant une différence, à savoir que grâce à leur taille minuscule, ils peuvent stocker un ordre de grandeur plus d'informations que les puces à base de silicium", déclare le Dr. Tomáš Slanina, soulignant que : "Tout cela ne fonctionne qu'avec des photoswitchs suffisamment stables pour ne pas basculer spontanément entre les états individuels en l'absence de lumière. C'est cette exigence qui a jusqu'à présent été si difficile à satisfaire, de sorte que les experts n'ont même jamais tenté de réaliser une transition vers un troisième état au sein d'une même molécule. Cela n'est possible qu'avec notre découverte actuelle."

Lors de la transition du deuxième état au troisième, ce n'est pas la couleur, mais la géométrie de la molécule qui change significativement. Ceci est particulièrement pratique chaque fois qu'il convient de "façonner" une molécule pour qu'elle s'adapte à un centre actif cible ou, inversement, pour qu'elle en soit éjectée. Tout cela est déclenché par une impulsion lumineuse d'une longueur d'onde spécifique. La gamme des applications pratiques possibles est large. Cependant, comme il s'agit d'une découverte récente, les experts ne font que commencer à découvrir son potentiel.

Jakub Copko (à gauche) et Tomáš Slanina, chef du groupe de photochimie rédox à l'IOCB Prague. Crédit : Tomáš Belloň / IOCB Prague

Les scientifiques du groupe Tomáš Slanina étudient les photoswitchs depuis longtemps. Plus précisément, ils se sont concentrés sur des substances connues sous le nom de fulgides, qui ne sont étudiées que par une poignée de laboratoires dans le monde entier, même si elles ont généralement de meilleures propriétés comparées à d'autres photoswitchs. La raison en est simple: leur préparation s'est jusqu'à présent révélée très compliquée.

Cependant, Jakub Copko a réussi à éliminer cet obstacle lui aussi. Il explique : "Quand j'ai commencé mes études doctorales, il me fallait jusqu'à un mois pour préparer un seul fulgide. Maintenant, grâce à notre raccourci chimique, il est prêt en une après-midi."

Il utilise ce qui est appelé une réaction en un seul pot, ce qui signifie que toutes les transformations chimiques ont lieu dans un seul flacon, éliminant ainsi la nécessité d'isoler et de purifier tous les produits intermédiaires. Cela non seulement accélère considérablement la préparation, mais résulte également en une réaction plus propre avec un meilleur rendement et réduit l'impact environnemental.

Tomáš Slanina ajoute : "Nous nous efforçons de faire en sorte que les fulgides ne soient pas simplement un groupe de substances qui sont reléguées dans les manuels, mais qu'elles reçoivent une exposition plus large. Elles peuvent faire progresser le domaine des photoswitchs à l'échelle mondiale."

Grâce au travail de son groupe, la préparation de ce type de photoswitchs est maintenant si simple qu'elle peut être effectuée dans n'importe quel laboratoire de chimie synthétique, même sans aucune expérience préalable en chimie des photoswitchs.

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