Combineer thio-indigo- en azabenzeengroepen tot iminothioindoxyl en je krijgt een moleculaire schakelaar die je met zichtbaar licht aan en uit kunt zetten, en dat ook nog in water. Dat publiceerde een internationaal onderzoeksconsortium in Nature Communications.

Zowel thio-indigogroepen als azobenzenen bevatten een dubbele binding (C=C of N=N). Een dubbele binding is interessant, omdat die in veel gevallen als ‘lichtschakelaar’ kan functioneren, zoals bekend is geworden door het Nobelprijs-winnende onderzoek van Ben Feringa.

Een groot probleem is alleen dat je veel van die schakelaars niet met zichtbaar licht aan of uit kunt zetten, maar vaak uv-licht nodig hebt. Onderzoekers van onder andere de Universiteit van Amsterdam (UvA), de Rijksuniversiteit Groningen (RUG) en de University of Florence hebben nu een molecuul ontworpen dat geschakeld kan worden met het gehele zichtbare lichtspectrum. Ook de bandscheiding is groot (zo’n 100 nm) waardoor de twee isomeren goed te onderscheiden zijn.

In eerste instantie hadden Mark Hoorens en Wiktor Szymanski van het Universitair Medisch Centrum Groningen (UMCG), die het iminothio-indoxyl (ITI) nieuw leven inbliezen, niet door dat ze de schakelaar konden bedienen. Ook al schenen ze licht op het molecuul, het leek alsof er niks gebeurde.

Na een gesprek met Michiel Hilbers en Wybren Jan Buma van het Van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) van de UvA besloten ze de handen in een te slaan en ITI te onderzoeken met de apparatuur uit Amsterdam, die een hogere tijdsresolutie heeft. Daaruit bleek dat het molecuul toch een aangeslagen toestand kent met een levensduur van 10 tot 20 milliseconden, waarbij er een afzonderlijke absorptieband te zien is die 100 nm hoger ligt dan de band van het stabiele ITI-fotoisomeer.

Het molecuul ging van het UvA-onderzoek door naar het lab van Mariangela Di Donato van het European Laboratory of Non-Linear Spectroscopy in Florence, waar Di Donato nog beter naar ITI keek. ‘Uit deze onderzoeken bleek duidelijk dat ITI schakelt op een supersnelle tijdschaal van een paar honderd femtoseconden', legt Di Donato in een persbericht uit. 'Dat is vergelijkbaar met de snelheid waarmee het visuele pigment in onze ogen schakelt als er licht op valt.'

Uiteindelijk konden Adèle Laurent van de Universiteit van Nantes en Miroslav Medved van de Palacky universiteit in Olomouc de observaties bevestigen door kwantumchemische berekeningen te doen die onder andere theoretische absorptiemaxima lieten zien die dicht bij de werkelijke maxima lagen.

Deze bevestiging gaf vervolgens meer reden om te kijken of variaties aan ITI mogelijk waren. Hoorens bracht een aantal elektronenstuwende en -zuigende groepen aan op de schakelaar en vond voor elke variatie een nieuwe absorptieband, zowel in vaste toestand als in oplossingen met variërende polariteit van cyclohexaan tot water. Daardoor, zo schrijven de auteurs, is deze klasse moleculen zeer breed toepasbaar, van responsieve materialen tot fotofarmacologie en is ‘de ontdekking van ITIs een break-through in het domein van photocontrol’.