Rivoluzione della Memoria Molecolare: Entrando in una Nuova Era di Archiviazione dei Dati

I fotoswitch Fulgimide possono esistere in tre diverse forme. Questo studio ha sviluppato un metodo per passare in modo quantitativo tra le diverse forme controllando la molteplicità e le condizioni di fotoisomerizzazione. Credit: Lucie Wohlrábová / IOCB Prague

Alcune molecole rispondono a impulsi di luce esterni cambiando la loro struttura e mantenendo certi stati che possono essere cambiati da uno all'altro. Questi sono comunemente noti come fotoswitch e di solito hanno due possibili stati. Recentemente, tuttavia, gli scienziati dell'Istituto di Chimica Organica e Biochimica dell'Accademia delle Scienze Ceca (IOCB Prague) hanno sviluppato una molecola che porta le possibilità dei fotoswitch un passo avanti. La nuova molecola può essere commutata non tra due, ma tra tre stati distinti. Questo le dà la capacità di contenere molte più informazioni complesse nella sua struttura molecolare di quanto sia stato possibile finora.

Sebbene gli scienziati sapessero che molecole simili potevano entrare in un terzo stato, hanno scelto di non studiarlo. Il ragionamento era che non potevano mantenere il controllo sulle transizioni tra le forme molecolari individuali e che la presenza di una terza forma solo complicava il comportamento delle molecole. Ora, i ricercatori del gruppo guidato dal dott. Tomáš Slanina hanno superato questo ostacolo. Un articolo sull'argomento, co-autore dal dottorando Jakub Copko e dal dott. Tomáš Slanina, è ora stato pubblicato sulla rivista Chemical Communications.

“Siamo in grado di commutare in modo preciso e selettivo le molecole tra tre stati come vogliamo”, afferma uno degli autori dell'articolo, Jakub Copko.

I cambiamenti strutturali nei fotoswitch si manifestano di solito come alterazioni delle loro proprietà macroscopiche. Quando esposto a luce di certi parametri, una molecola può, per esempio, cambiare il suo colore, che può anche essere visibile ad occhio nudo. Ad esempio, il blu può diventare giallo e viceversa, e i due colori possono essere trattati come zeri e uno, rispettivamente. Le singole molecole funzionano quindi nello stesso modo dei bit di memoria e sono anche facili da leggere.

“C'è, tuttavia, una differenza, vale a dire che grazie alle loro dimensioni minuscole possono memorizzare un ordine di grandezza di informazioni in più rispetto ai chip a base di silicio”, afferma il dott. Tomáš Slanina, sottolineando che: “Tutto questo funziona solo con fotoswitch abbastanza stabili da non passare spontaneamente tra stati individuali in assenza di luce. Proprio questo requisito è stato finora così difficile da soddisfare, quindi gli esperti non avevano mai nemmeno cercato di ottenere una transizione in un terzo stato all'interno di una molecola. Questo è possibile solo grazie alla nostra scoperta attuale.”

Alla transizione dal secondo allo stato terzo, non è il colore, ma la geometria della molecola che cambia significativamente. Questo è particolarmente conveniente ogni volta che è opportuno 'plasmare' una molecola in modo che si adatti a un centro attivo target o, al contrario, che venga espulsa da esso. Tutto questo è innescato da un impulso di luce di una specifica lunghezza d'onda. La gamma di possibili applicazioni pratiche è ampia. Tuttavia, essendo una scoperta così recente, gli esperti stanno solo iniziando a scoprire il suo potenziale.

Jakub Copko (a sinistra) e Tomáš Slanina, capo del gruppo di Fotochimica Redox presso l'IOCB Prague. Credit: Tomáš Belloň / IOCB Prague

Gli scienziati del Gruppo Tomáš Slanina studiano i fotoswitch da molto tempo. In particolare, si sono concentrati su sostanze note come fulgidi, che vengono studiati solo da un pugno di laboratori in tutto il mondo, anche se in genere hanno proprietà migliori rispetto ad altri fotoswitch. Il motivo è semplice: la loro preparazione finora è stata molto complicata.

Tuttavia, Jakub Copko è riuscito a superare anche questo ostacolo. Spiega: “Quando ho iniziato i miei studi di dottorato, ci ho messo fino a un mese per preparare un singolo fulgide. Ora, grazie alla nostra scorciatoia chimica, è pronto in un pomeriggio.”

Utilizza quella che viene chiamata una reazione "one-pot", il che significa che tutte le trasformazioni chimiche avvengono in un'unica fiala, eliminando la necessità di isolare e purificare tutti i prodotti intermedi. Questo non solo accelera notevolmente la preparazione, ma porta anche a una reazione più pulita con una resa maggiore e riduce l'impatto ambientale.

Tomáš Slanina aggiunge: “Ci stiamo impegnando per garantire che i fulgidi non siano solo un gruppo di sostanze relegato ai libri di testo, ma uno che riceva un'esposizione più ampia. Può far avanzare il campo dei fotoswitch a livello globale.”

Grazie al lavoro del suo gruppo, la preparazione di questo tipo di fotoswitch è ora così semplice che può essere fatta in qualsiasi laboratorio di chimica sintetica anche senza alcuna esperienza precedente con la chimica dei fotoswitch.

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