Alcune molecole rispondono agli impulsi luminosi esterni modificando la loro struttura e mantenendo determinati stati che possono essere commutati dall'uno all'altro. Questi sono comunemente indicati come fotoswitch e di solito hanno due stati possibili. Recentemente, tuttavia, gli scienziati dell'Istituto di chimica organica e biochimica dell'Accademia ceca delle scienze (IOCB di Praga) hanno sviluppato una molecola che fa un ulteriore passo avanti nelle possibilità dei fotoswitch.
La nuova molecola può essere commutata non tra due ma tra tre stati distinti. Ciò gli conferisce la capacità di contenere informazioni molto più complesse nella sua struttura molecolare di quanto sia stato possibile finora. Un articolo sull'argomento, scritto in collaborazione con Ph.D. studente Jakub Copko e il dottor Tomáš Slanina, è stato ora pubblicato in Chemical Communications .
Sebbene gli scienziati sapessero che molecole simili potevano entrare in un terzo stato, decisero di non studiarlo. Il ragionamento era che non potevano mantenere il controllo sulle transizioni tra le singole forme molecolari e che la presenza di una terza forma non faceva altro che complicare il comportamento delle molecole. Ora i ricercatori del gruppo guidato dal dottor Slanina hanno superato questo ostacolo.
"Siamo in grado di commutare le molecole tra tre stati in modo preciso e selettivo a nostro piacimento", afferma uno degli autori dell'articolo, Jakub Copko.
I cambiamenti strutturali nei fotoswitch si manifestano solitamente come alterazioni delle loro proprietà macroscopiche. Se esposta alla luce con determinati parametri, una molecola può, ad esempio, cambiare colore, che può essere visibile anche a occhio nudo. Ad esempio, il blu può trasformarsi in giallo e viceversa, e i due colori possono essere trattati rispettivamente come zero e uno. Le singole molecole funzionano quindi come bit di memoria e sono anche facili da leggere.
"C'è però una differenza:grazie alle loro minuscole dimensioni, possono memorizzare un ordine di grandezza in più di informazioni rispetto ai chip a base di silicio", afferma il dott. Slanina. "Tutto questo funziona solo con i fotoswitch che sono sufficientemente stabili da non passare spontaneamente da uno stato all'altro in assenza di luce."
"È stato proprio questo requisito che finora è stato così difficile da soddisfare, tanto che gli esperti non avevano mai nemmeno tentato di ottenere una transizione al terzo stato all'interno di una molecola. Ciò è possibile solo grazie alla nostra attuale scoperta."
Nel passaggio dal secondo stato al terzo, non è il colore, ma la geometria della molecola a cambiare in modo significativo. Ciò è particolarmente conveniente ogni volta che è opportuno "modellare" una molecola in modo che si inserisca in un centro attivo bersaglio o, al contrario, in modo che venga espulsa da esso.
Un impulso luminoso di una lunghezza d'onda specifica innesca tutto questo. La gamma delle possibili applicazioni pratiche è ampia. Tuttavia, poiché si tratta di una scoperta recente, gli esperti stanno solo iniziando a scoprirne il potenziale.
Gli scienziati del gruppo Slanina si dedicano da tempo alla ricerca sui fotoswitch. Nello specifico, si sono concentrati su sostanze note come fulgidi, che sono studiate solo da una manciata di laboratori in tutto il mondo, anche se generalmente hanno proprietà migliori rispetto ad altri fotoswitch. Il motivo è semplice:la loro preparazione finora è stata molto complicata.
Tuttavia, Copko è riuscita a rimuovere anche questo ostacolo. Spiega:"Quando ho iniziato i miei studi di dottorato, mi ci è voluto fino a un mese per preparare un singolo fulgide. Ora, grazie alla nostra scorciatoia chimica, è pronto in un pomeriggio."
Usa quella che viene chiamata reazione one-pot, il che significa che tutte le trasformazioni chimiche avvengono in un unico pallone, eliminando la necessità di isolare e purificare tutti i prodotti intermedi. Ciò non solo accelera notevolmente la preparazione, ma si traduce anche in una reazione più pulita con una resa maggiore e diminuisce l'impatto ambientale.
Slanina aggiunge:"Stiamo cercando di garantire che i fulgidi non siano semplicemente un gruppo di sostanze relegate nei libri di testo, ma che ricevano una visibilità più ampia. Possono 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 eseguita in qualsiasi laboratorio di chimica sintetica, anche senza alcuna esperienza precedente con la chimica dei fotoswitch.
Ulteriori informazioni: Jakub Copko et al, Il fotocromismo guidato dalla molteplicità controlla i fotoswitch fulgimide a tre stati, Comunicazioni chimiche (2024). DOI:10.1039/D3CC05975H
Informazioni sul giornale: Comunicazioni chimiche
Fornito dall'Istituto di chimica organica e biochimica dell'Accademia ceca delle scienze (IOCB Praga)
