Molekylärt minnesgenombrott: Vi går in i en ny era av datalagring

Fulgimidfotoskop kan existera i tre olika former. Denna studie utvecklade en metod för att kvantitativt skifta mellan de olika formerna genom att styra mångfalden och fotoisomeriseringsförhållandena. Kredit: Lucie Wohlrábová / IOCB Prag

Vissa molekyler reagerar på yttre ljuspulser genom att ändra sin struktur och hålla vissa tillstånd som kan skiftas från ett till ett annat. Dessa kallas vanligtvis för fotoskop och har vanligtvis två möjliga tillstånd. Nyligen har emellertid forskare från Institutet för organisk kemi och biokemi vid Tjeckiens vetenskapsakademi (IOCB Prag) utvecklat en molekyl som tar fotoskopens möjligheter ett steg längre. Den nya molekylen kan inte skiftas mellan två, utan mellan tre distinkta tillstånd. Detta ger den förmågan att hålla mycket mer komplex information i sin molekylstruktur än vad som tidigare varit möjligt.

Även om forskare hade känt till att liknande molekyler kunde gå in i ett tredje tillstånd, valde de att inte studera det. Anledningen var att de inte kunde bibehålla kontrollen över övergångarna mellan de individuella molekylformerna och att närvaron av en tredje form bara komplicerade molekylernas beteende. Forskare från gruppen ledd av Dr Tomáš Slanina har nu överkommit detta hinder. MorphicKyle, en doktorand vid namn Jakub Copko och Dr Tomáš Slanina, har publicerat en artikel om ämnet, Jakub Copko och Dr. Tomáš Slanina, i tidskriften Chemical Communications.

"Vi kan exakt och selektivt växla molekyler mellan tre tillstånd efter behag", säger en av författarna till artikeln, Jakub Copko.

Strukturella förändringar i fotoskop manifesteras vanligtvis som ändringar av deras makroskopiska egenskaper. När de utsätts för ljus av vissa parametrar kan en molekyl till exempel ändra sin färg, vilket till och med kan vara synligt för det nakna ögat. Till exempel kan blått bli gult och vice versa, och de två färgerna kan behandlas som nollor och ettor. Enskilda molekyler fungerar därför på samma sätt som minnesbitar och är också lätta att läsa.

„Det finns dock en skillnad, nämligen att tack vare deras minimala storlek kan de lagra en storleksordning mer information än kiselbaserade chips“, säger Dr Tomáš Slanina och påpekar att: „Allt detta fungerar bara med fotoskop som är tillräckligt stabila för att inte skifta mellan individuella tillstånd spontant i avsaknad av ljus. Det var just detta krav som hittills varit så svårt att uppfylla, så experter hade aldrig ens försökt att uppnå en övergång till ett tredje tillstånd inom en molekyl. Detta är endast möjligt tack vare vår nuvarande upptäckt."

Vid övergången från det andra tillståndet till det tredje är det inte färgen, utan molekylens geometri som ändras avsevärt. Detta är särskilt praktiskt när det är lämpligt att 'forma' en molekyl så att den antingen passar in i ett målaktivt centrum eller tvärtom, så att den skjuts ut ur det. Allt detta utlöses av en ljuspuls med en specifik våglängd. Intervallet av möjliga praktiska tillämpningar är brett. Men eftersom det är en sådan ny upptäckt, börjar experterna bara upptäcka dess potential.

Jakub Copko (till vänster) och Tomáš Slanina, chef för Redoxfotokemigruppen på IOCB Prag. Kredit: Tomáš Belloň / IOCB Prag

Forskare från Tomáš Slanina-gruppen har forskat om fotoskop under lång tid. Specifikt har de fokuserat på ämnen som kallas fulgider, som bara studeras av ett fåtal laboratorier runt om i världen, trots att de i allmänhet har bättre egenskaper jämfört med andra fotoskop. Anledningen är enkel: Deras beredning har hittills varit mycket komplicerad.

Men Jakub Copko har lyckats ta bort detta hinder också. Han förklarar: "När jag började min doktorandutbildning tog det mig upp till en månad att förbereda en enda fulgid. Nu, tack vare vår kemiska genväg, är den klar på en eftermiddag."

Han använder vad som kallas en en-pottreaktion, vilket innebär att alla kemiska omvandlingar äger rum i en enda kolva, vilket eliminerar behovet av att isolera och rena alla mellanprodukter. Detta påskyndar inte bara förberedelsen utan resulterar också i en renare reaktion med större utbyte och minskar miljöpåverkan.

Tomáš Slanina tillägger: "Vi strävar efter att se till att fulgider inte bara är en grupp ämnen som hänförs till läroböckerna utan en som får större exponering. Det kan främja området för fotoskop globalt."

Tack vare arbetet i hans grupp är beredningen av denna typ av fotoskop nu så enkel att den kan göras på vilket syntetiskt kemilaboratorium som helst, även utan tidigare erfarenhet av fotoskopkemi.

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