Przełom w zakresie pamięci molekularnej: Wkraczamy w nową erę przechowywania danych

Przełączniki na bazie fulgimidów mogą występować w trzech różnych formach. W niniejszym badaniu opracowano metodę ilościowego przełączania pomiędzy różnymi formami poprzez kontrolowanie multiplikacji i warunków fotoizomeryzacji. Autor: Lucie Wohlrábová / IOCB Praga

Niektóre cząsteczki reagują na zewnętrzne impulsy świetlne, zmieniając swoją strukturę i utrzymując pewne stany, które mogą być przełączane jeden na drugi. Są one powszechnie znane jako przekaźniki światła i zazwyczaj mają dwa możliwe stany. Niedawno jednak naukowcy z Instytutu Chemii Organicznej i Biochemii Czech Akademii Nauk (IOCB Praga) opracowali cząsteczkę, która poszerza możliwości przełączników światła. Nowa cząsteczka może być przełączana nie między dwoma, ale między trzema różnymi stanami. Daje to jej zdolność przechowywania znacznie skomplikowanej informacji w swojej strukturze molekularnej niż dotychczas było to możliwe.

Chociaż naukowcy wiedzieli, że podobne cząsteczki mogą przechodzić w trzeci stan, postanowili go nie badać. Powodem była trudność utrzymania kontroli nad przejściami między poszczególnymi formami molekularnymi, a obecność trzeciej formy tylko komplikowała zachowanie cząsteczek. Teraz, badacze z zespołu pod przewodnictwem dr Tomáša Slaniny pokonali tę przeszkodę. Artykuł na ten temat, napisany wspólnie z doktorantem Jakubem Copko i dr Tomaszem Slaniną, został opublikowany w czasopiśmie "Chemical Communications".

"Jesteśmy w stanie precyzyjnie i selektywnie przełączać cząsteczki między trzema stanami, według własnego uznania," mówi jeden z autorów artykułu, Jakub Copko.

Zmiany strukturalne w przełącznikach światła zwykle przejawiają się jako zmiany ich makroskopowych właściwości. Po naświetleniu światłem o określonych parametrach, cząsteczka może na przykład zmienić swój kolor, co może być widoczne nawet gołym okiem. Na przykład, niebieski może zamienić się na żółty, i odwrotnie, a dwa kolory można potraktować jako zera i jedynki. Indywidualne cząsteczki działają więc w ten sam sposób co bity pamięci i są też łatwe do odczytania.

"Istnieje jednak pewna różnica, a mianowicie, dzięki swoim miniaturowym rozmiarom mogą przechowywać rzędu więcej informacji niż układy oparte na krzemie," mówi dr Tomáš Slanina, wskazując, że: "Wszystko to działa tylko z przełącznikami zdjęciowymi, które są na tyle stabilne, że nie przełączają się między poszczególnymi stanami spontanicznie w przypadku braku światła. To właśnie ten wymóg był dotychczas tak trudny do spełnienia, dlatego eksperci nigdy nawet nie próbowali osiągnąć przejścia do trzeciego stanu w jednej cząsteczce. To jest możliwe tylko dzięki naszemu obecnemu odkryciu".

Przy przejściu z drugiego stanu na trzeci, to nie kolor, ale geometria cząsteczki ulega znaczącej zmianie. Jest to szczególnie dogodne, gdy zależy nam na "kształtowaniu" cząsteczki tak, aby pasowała do docelowego centrum aktywnego, lub odwrotnie, aby została z niego wypchnięta. Wszystko to jest wywoływane przez impuls świetlny o określonej długości fali. Możliwe praktyczne zastosowania są szerokie. Jednak ze względu na jego niedawną historię, eksperci dopiero zaczynają odkrywać jego potencjał.

Jakub Copko (po lewej) i Tomáš Slanina, kierownik grupy Redox Photochemistry w IOCB Prague. Autor: Tomáš Belloň / IOCB Prague

Naukowcy z grupy Tomáša Slaniny od dawna badają przełączniki na podczerwień. Konkretnie skupili się na substancjach znanych jako fulgiedy, które są badane tylko przez garstkę laboratoriów na całym świecie, mimo że generalnie mają lepsze właściwości w porównaniu z innymi przełącznikami na podczerwień. Powód jest prosty: Ich przygotowanie było do tej pory bardzo skomplikowane.

Jednak Jakub Copko zdołał usunąć również tę przeszkodę. Wyjaśnia: "Gdy rozpoczynałem studia doktoranckie, przygotowanie jednego fulgida zajmowało mi nawet do miesiąca. Teraz, dzięki naszemu skrótowi chemicznemu, jest gotowy w ciągu jednego popołudnia".

Wykorzystuje tzw. reakcję typu "one-pot", co oznacza, że wszystkie przemiany chemiczne zachodzą w jednym kolbie, eliminując konieczność izolacji i oczyszczania wszystkich produktów pośrednich. Nie tylko znacznie przyspiesza to przygotowanie, ale także prowadzi do czystszej reakcji z większym plonem i zmniejsza wpływ na środowisko.

Tomáš Slanina dodaje: "Dążymy do tego, aby fulgidy nie były tylko grupą substancji, która jest relegowana do podręczników, ale również uzyskały większą ekspozycję. Może to przynieść postęp w dziedzinie przełączników światła na skalę globalną".

Dzięki pracy jego grupy, przygotowanie tego typu przełączników światła jest teraz tak proste, że można je wykonać w dowolnym laboratorium chemii syntetycznej, nawet bez wcześniejszego doświadczenia z chemią przełączników światła.

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