Ett forskarteam från Universitetet för kemi och teknik i Prag (UCT Prag) och Institutet för organisk kemi och biokemi vid Tjeckiska vetenskapsakademien (IOCB Prag) har skapat och beskrivit en ny typ av fotoswitch. Molekylen, en tienylbaserad acylhydrazon, genomgår en aldrig tidigare skådad ”closed-to-open-shell”-omvandling, där ljus omvandlar den till en stabil diradikal.
Medan tidigare publicerade livslängder för sådana triplettillstånd är några millisekunder, har denna nya molekyls omkopplade tillstånd en halveringstid på över sex timmar. Denna revolutionerande innovation öppnar vägen för optimering av katalytiska processer, utveckling av nya datalagringsenheter och spintroniska enheter samt målinriktad eliminering av antibiotikaresistenta patogener. Arbetet är publicerat i Journal of Materials Chemistry C.
Fotoswitchar är molekyler som växlar mellan två tillstånd under påverkan av ljus. Denna nya switch är unik eftersom den övergår från ett stabilt, icke-magnetiskt (closed-shell) tillstånd till ett exceptionellt långlivat magnetiskt (open-shell triplet) tillstånd. I detta triplettillstånd har två elektroner parallella spinn, vilket gör molekylen paramagnetisk och mycket reaktiv. Detta tillstånd är avgörande för många fotokemiska processer, inklusive generering av reaktiva syreföreningar.
”Det är tidigare känt och beskrivet i litteraturen att detta tillstånd i molekyler varar i storleksordningen nanosekunder till millisekunder, men i fallet med vår switch varar det i tiotals timmar, vilket är extraordinärt”, förklarar forskningsledaren Petr Kovaříček från UCT Prag och tillägger att hans doktorand, Martin Šetek, har gjort en grundläggande insats för resultatet. Dessutom hade teamet inte kunnat lyckas utan den expertis som Dana Nachtigalová och Ján Tarábek från IOCB Prag bidrog med.
Innovationen har flera omedelbara tillämpningar. Inom katalys visade teamet att den fotoswitchade formen fungerar som en potent radikalinitiator, som framgångsrikt driver den radikala bromeringen av toluen. För datalagring och spintronik bildar molekylen ett komplett skriv-läs-radera-system.
Det föreslagna schemat för fotoswitching och radiativt sönderfall av AH1 vid excitation från geometrin i det lägsta energitillståndet till S1–S3-tillstånden. Källa: Journal of Materials Chemistry C (2025). DOI: 10.1039/d5tc00826c
”Triplettillståndet är paramagnetiskt, vilket gör att information kan ’skrivas’ med ljus och ’läsas’ magnetiskt”, säger Dr. Kovaříček. Den vetenskapliga artikeln avslöjar vidare ett avgörande tredje steg: Informationen kan raderas fullständigt och omedelbart med en elektrisk impuls.
”Ett så långlivat triplettillstånd är verkligen överraskande. Under lång tid ansåg jag inte att det var möjligt och avvisade denna förklaring”, säger han och förklarar varför artikeln är resultatet av tre års intensivt experimentellt arbete. ”Att övertyga redaktörer och granskare om detta var också en kolossal uppgift.”
Teamets mest lovande tillämpning är fotodynamisk inaktivering av patogener. ”Våra nya molekyler kan, efter att ha bestrålats med ljus, generera reaktiva syreföreningar, så kallade ROS, som effektivt förstör en rad antibiotikaresistenta svampar och bakterier, inklusive guldstafylokocker (Staphylococcus aureus) och utvalda patogener från WHO:s lista”, säger Dr. Kovaříček.
”ROS är extremt effektiva – de eliminerar mer än 99,99 % av cellerna, men bara där vi lyser med ljuset. Detta är avgörande för säkerheten vid medicinsk användning, vilket naturligtvis måste verifieras i ytterligare studier.”
En stor fördel med de nysyntetiserade molekylerna är deras exceptionellt låga kostnad och enkla produktion – i laboratorieskala kostar ett kilo cirka 1 000 tjeckiska kronor (cirka 43 USD).
Idén om medicinsk användning var en slumpartad upptäckt. En student som testade molekylerna i en biologisk miljö upptäckte att de förstörde provets DNA med häpnadsväckande effektivitet, vilket avslöjade ett kraftfullt nytt vapen mot mikroorganismer. I samarbete med Dr. Lencová från Institutionen för biokemi och mikrobiologi förbereder teamen redan ett nytt projekt för att nå detta mål.
Mer information: Martin Šetek et al, Closed-to-open-shell ground state photoswitching of thienyl-based acylhydrazones, Journal of Materials Chemistry C (2025). DOI: 10.1039/d5tc00826c
