Gli interruttori attivati ​​dalla luce sono troppo piccoli per essere visti ad occhio nudo, ma i sistemi molecolari sono al lavoro nella ricerca relativa alla progettazione di farmaci, materiali adattivi e memorizzazione dei dati. Per sbloccare la promessa delle nuove generazioni di terapie mediche e sistemi di memoria, i ricercatori devono prima superare gli inconvenienti dei dispositivi microscopici che possono essere difficili da produrre e poco versatili.

I ricercatori del Dartmouth College hanno sviluppato un nuovo interruttore molecolare basato sul gruppo funzionale idrazone che combina le proprietà più importanti dell'attuale classe di interruttori attivati ​​dalla luce e risolve molti dei problemi ad essi associati. La molecola appena sviluppata è facile da realizzare, semplice con cui lavorare, mostra la commutazione "on-off" dell'emissione di fluorescenza, e può essere usato per scrivere, leggere e cancellare informazioni sia allo stato liquido che solido.

Guardando al futuro, interruttori come questi potrebbero essere potenzialmente utilizzati per lo sviluppo di fotofarmaci sofisticati che forniscono farmaci con precisione a livello cellulare. Negli anni a venire, Gli interruttori idrazone potrebbero anche portare allo sviluppo di dispositivi di memoria ad alta densità con il volume di un granello di polvere.

Come dettagliato nel Giornale della Società Chimica Americana , Il sistema di idrazone di Dartmouth, "imballa di più, se non tutto, il desiderato, tratti mirati e ricercati da composti fotocromatici."

"Questo è un interruttore che può fare tutto, " disse Ivan Aprahamian, professore associato di chimica e capo del gruppo di ricerca a Dartmouth. "Quello che abbiamo sviluppato è un nuovo strumento che combina tutte le buone proprietà degli interruttori noti senza i loro effetti collaterali, e in modo semplice, design lineare."

Simile a capovolgere un interruttore fisico, gli interruttori fotocromatici si basano su luci di diverse lunghezze d'onda per spostare le molecole tra le posizioni "on" e "off". Il feedback fluorescente prodotto durante il processo di commutazione può essere utilizzato per memorizzare e leggere enormi quantità di dati su scala microscopica e persino fornire segnali su dove viene somministrato un farmaco dopo che il farmaco è entrato nel corpo di un paziente, uno strumento importante per il targeting dei farmaci.

Per attivare l'interruttore nello studio Dartmouth, i ricercatori hanno utilizzato una "luce blu" operante alla stessa lunghezza d'onda di 450 nm di un puntatore laser per scrivere le informazioni attivando l'interruttore. Una seconda lunghezza d'onda ultravioletta di 365 nm è stata utilizzata per cancellare le informazioni spegnendo l'interruttore.

Nella carta, i ricercatori hanno dimostrato che l'interruttore funziona sia nell'acqua che nel tampone di siero bovino fetale, un mezzo biologico frequentemente utilizzato, confermando che il sistema molecolare può essere utile come strumento di somministrazione di farmaci.

Oltre a funzionare bene in soluzione, i ricercatori hanno scoperto che l'interruttore dell'idrazone funziona anche sui film a stato solido. Le molecole che subiscono grandi cambiamenti strutturali di solito non operano allo stato solido senza complesse manipolazioni. Questa funzionalità aggiuntiva ne consente l'utilizzo efficace per l'archiviazione dei dati.

"Una tale risposta di fluorescenza on-off sia in soluzione che allo stato solido per i composti fotocromatici è altamente insolita, " disse Baihao Shao, un dottorato di ricerca studente a Dartmouth e primo autore dello studio.

Il team è stato in grado di utilizzare sorgenti luminose sia a singolo fotone che a due fotoni per azionare il nuovo interruttore. Il vicino infrarosso, Il sistema a due fotoni consente alla luce di penetrare più in profondità nei tessuti e lo rende più sicuro per l'uso con l'uomo. L'attivazione a due fotoni consente anche tecniche di microscopia 3D importanti per l'archiviazione avanzata dei dati.

Il documento di ricerca rileva che l'interruttore dell'idrazone ha un'emivita di 75 anni in soluzione a temperatura ambiente. Allo stato solido, la memoria dello switch potrebbe essere indefinita. Tale stabilità è un'altra caratteristica chiave che si aggiunge alla sua funzionalità generale per l'archiviazione dei dati a lungo termine.

"Siamo estremamente entusiasti dei risultati e dell'accoglienza che sta ricevendo dalla comunità scientifica. Sulla base di questi risultati ancora non pubblicati, riteniamo che questa tecnologia abbia la promessa di essere veramente trasformativa, " disse Aprahamian.

Durante l'esperimento, si è verificata una certa cancellazione durante la lettura poiché la luce di eccitazione provoca anche una commutazione lenta, creando una sfida che i ricercatori stanno lavorando per ridurre al minimo.

Massimo Baroncini, Hai Qian, Laura Bussotti, A questa ricerca hanno contribuito anche Mariangela Di Donato e Alberto Credi. La ricerca è stata svolta in collaborazione con l'Università di Bologna.