Moleculaire Geheugen Doorbraak: Het Begin van een Nieuw Tijdperk van Gegevensopslag

Fulgimide-fotoschakelaars kunnen in drie verschillende vormen bestaan. In deze studie is een methode ontwikkeld om kwantitatief te schakelen tussen de verschillende vormen door de veelheid en fotoisomerisatieomstandigheden te regelen. Credit: Lucie Wohlrábová / IOCB Praag

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 omgeschakeld. Deze worden algemeen aangeduid als fotoschakelaars en hebben meestal twee mogelijke toestanden. Wetenschappers van het Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the Czech Academy of Sciences (IOCB Praag) hebben echter onlangs een molecuul ontwikkeld dat de mogelijkheden van fotoschakelaars een stap verder brengt. Het nieuwe molecuul kan niet schakelen tussen twee, maar tussen drie verschillende toestanden. Dit geeft het de mogelijkheid om veel complexere informatie in zijn moleculaire structuur op te slaan dan tot nu toe mogelijk was.

Hoewel wetenschappers wisten dat vergelijkbare moleculen een derde toestand konden aannemen, kozen ze ervoor om dit 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 de moleculen alleen maar compliceerde. Nu hebben onderzoekers van de groep onder leiding van Dr. Tomáš Slanina dit obstakel overwonnen. Een paper over het onderwerp, mede geschreven door promovendus Jakub Copko en Dr. Tomáš Slanina, is nu gepubliceerd in het tijdschrift Chemical Communications.

“We zijn in staat om moleculen nauwkeurig en selectief tussen drie toestanden te schakelen zoals wij dat willen,” zegt een van de auteurs van het paper, Jakub Copko.

Structurele veranderingen in fotoschakelaars worden meestal gemanifesteerd als veranderingen in hun macroscopische eigenschappen. Wanneer ze worden blootgesteld aan licht van bepaalde parameters, kan een molecuul bijvoorbeeld van kleur veranderen, wat zelfs met het blote oog zichtbaar kan zijn. Bijvoorbeeld, blauw kan veranderen in geel en vice versa, en de twee kleuren kunnen worden behandeld als respectievelijk nullen en enen. Individuele moleculen functioneren dan op dezelfde manier als geheugenbits en zijn ook gemakkelijk te lezen.

“Er is echter een verschil, namelijk dat ze dankzij hun zeer kleine afmetingen een orde van grootte meer informatie kunnen opslaan dan op silicium gebaseerde chips,” zegt Dr. Tomáš Slanina, wijzend op het feit dat: "Dit werkt alleen met fotoschakelaars die stabiel genoeg zijn om niet spontaan tussen individuele toestanden te schakelen bij afwezigheid van licht. Het was deze zeer eis die tot nu toe zo moeilijk te realiseren was, dat experts nooit zelfs maar hebben geprobeerd om een overgang naar een derde toestand binnen één molecuul te realiseren. Dit is alleen mogelijk dankzij onze huidige ontdekking.”

Bij de overgang van de tweede naar de derde toestand 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 juist daaruit wordt geduwd. Dit alles wordt geactiveerd door een lichtpuls van een specifieke golflengte. Het scala aan mogelijke praktische toepassingen is breed. Echter, omdat het zo'n recente ontdekking is, beginnen experts pas net met het ontdekken van het potentieel.

Jakub Copko (links) en Tomáš Slanina, hoofd van de Redox Fotochemie groep bij IOCB Praag. Credit: Tomáš Belloň / IOCB Praag

Wetenschappers van de Tomáš Slanina Group doen al lange tijd onderzoek naar fotoschakelaars. Specifiek hebben ze zich gericht op stoffen die bekend staan als fulgids, die slechts door een handvol laboratoria wereldwijd worden bestudeerd, ook al hebben ze over het algemeen betere eigenschappen in vergelijking met andere fotoschakelaars. De reden is eenvoudig: Hun bereiding is tot nu toe sterk gecompliceerd geweest.

Echter, Jakub Copko is erin geslaagd om ook dit obstakel te overwinnen. Hij legt uit: “Toen ik aan mijn promotieonderzoek begon, kostte het me tot een maand om een enkele fulgid te bereiden. Nu, dankzij onze chemische shortcut, is het klaar in een middag.”

Hij gebruikt wat men noemt een one-pot reactie, wat betekent dat alle chemische transformaties plaatsvinden in één enkele kolf, waardoor het niet nodig is om alle tussenproducten te isoleren en te zuiveren. Dit versnelt niet alleen de bereiding aanzienlijk, maar resulteert ook in een schonere reactie met een groter rendement en vermindert de milieubelasting.

Tomáš Slanina voegt eraan toe: “We streven ernaar ervoor te zorgen dat fulgiden niet alleen maar een groep stoffen zijn die naar de leerboeken wordt verbannen, maar dat ze een bredere bekendheid krijgen. Het kan het veld van de fotoschakelaars wereldwijd bevorderen.”

Dankzij het werk van zijn groep is de bereiding van dit type fotoschakelaars nu zo eenvoudig dat het kan worden gedaan in elk synthetisch chemisch laboratorium, zelfs zonder enige eerdere ervaring met fotoschakelchemie.

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