フォトスイッチ

フォトスイッチは、電磁放射線の照射によって構造形状や化学的性質を変えることができる分子の一種です。分子機械という用語と互換的に使用されることが多いですが、スイッチは形状の変化によって作業を行いませんが、機械は行います。 ^[1]しかし、フォトクロミック化合物は、光駆動型分子モーターや機械に必要な構成要素です。^[2]光を照射すると、分子内の二重結合の光異性化により、シスまたはトランス配置が変化することがあります。^[3]これらのフォトクロミック分子は、さまざまな用途に検討されています。

フォトクロミック化合物は、光の照射によってその構成や構造を変化させることができます。フォトクロミック化合物の例としては、アゾベンゼン、^[6] スピロピラン、 [ ^7] メロシアニン、^[8] ジアリールエテン、^[9]スピロオキサジン、^[10]フルギド、^[11] ヒドラゾン、^[12]ノボルマジエン、^[13] チオインジゴ、^[14]アクリルアミド-アゾベンゼン-第四級アンモニア、^[15]供与性-受容体ステンハウス付加物、^{[16] [17]} スチルベン、^[18]などが あります。

光の吸収による異性化の際には、πからπ ^*またはnからπ ^*への 電子遷移が起こり、電子が励起状態から基底状態に移行するときに光（蛍光またはリン光）または熱が放出される。光の照射によって異性体のある形態が別の形態に変換されなくなったときに光定常状態が達成される。しかし、光条件によっては、シス異性体とトランス異性体の混合物が常に存在し、一方の割合が他方よりも高い。^[19]

光異性化のメカニズムは、ほとんどの科学者の間でまだ議論されていますが、ポリエンのシス/トランス異性化は、1つの結合の反転よりもフラツイストを好むという証拠が増えています。 [ ^20] 1つの結合の反転は反応性の二重結合で異性化し、フラツイストは隣接する単結合で配座異性化を起こします。しかし、スチルベンの立体異性体の相互変換は、1つの結合の反転を介して進行します。^[21]

光スイッチの最も重要な特性の 1 つは、吸収された光が光異性化を誘発する有効性を測定する量子収率です。量子収率は、アレニウスの速度論を使用してモデル化および計算されます。^[22]光スイッチは溶液中または固体状態にありますが、固体状態でのスイッチングは、分子の運動の自由度の欠如、固体パッキング、および基底状態への急速な熱復帰のため、観察がより困難です。^[23]化学修飾により、異性化を引き起こすために必要な吸収波長を赤方偏移させることで、低光誘導スイッチングが実現し、光薬理学に応用されています。^[24]

フォトクロミック化合物を適切な触媒分子に組み込むと、光照射による幾何学的構造の可逆的な変化から光スイッチ可能な触媒作用が生じる可能性がある。^[25]最も広く研究されている光スイッチの1つであるアゾベンゼンは、光によるE構造からZ構造への異性化と、暗条件での熱緩和によりE異性体に戻る能力により、触媒活性を制御するための効果的なスイッチであることが実証されている。^[26]

光照射によって構造変化を起こす人体の最も一般的な生物学的例の1つに、膜結合型光受容体であるロドプシンがあります。^{[28]これらには、}メラノサイト、 視覚の調節、メラトニンの放出、概日リズムの制御などが含まれます。^[29]ロドプシンは、高速光異性化を起こすことができる非常に効率的なフォトクロミック化合物であり、さまざまな網膜タンパク質^[30]や微生物の光ゲートチャネルおよびポンプと関連しています。^[31]

フォトクロミック化合物による視力回復の進歩が研究されてきた。高速異性化により、網膜細胞は光によって活性化されると活性化し、アクリルアミド-アゾベンゼン-第四級アンモニアの進歩により、盲目のマウスの視覚反応が回復したことが示されている。^{[32]この分野に関与している企業には、}ノバルティス、ヴェデーレ、アラガン、ナノスコープ・セラピューティクスなどがある。 ^[33]

生体分子に光スイッチを組み込むことで、光照射を制御して生物学的プロセスを制御することができます。これには、ペプチドの構造と活性の光制御、DNAとRNAの転写と翻訳、酵素活性の調節、光制御イオンチャネルが含まれます。 [ 34 ]^たとえば、ヒト血清アルブミンにおけるリガンド結合の光制御は、そのアロステリック結合特性に影響を与えることが実証されています。 [35] また、赤方偏移アゾベンゼンは、イオンチャネル型グルタミン酸受容体を制御するために使用されています。^{[ 36]}

フォトスイッチは生物学、材料化学、物理学の分野で研究されており、特にナノテクノロジーの枠組みにおいて多種多様な応用が期待されています。^[37]

異性体の状態に応じて、光スイッチは電子機器に使用されるトランジスタを置き換える可能性があります。 ^[38]光スイッチをさまざまな基板の表面に取り付けることで、仕事関数を変えることができます。たとえば、ジアリールエテンを金の表面上に自己組織化単分子膜として組み込むと、光電子デバイスに有望です。^[39]

ジアリールエテンは、低温および室温でグラフェン電極の間に置かれると安定した分子伝導接合を形成し、光電スイッチとして機能する。^{[40]開いた幾何学的配置と閉じた幾何学的配置でさまざまな}最高および最低の空分子軌道レベルを含む光スイッチを、 p型またはn型ドープ半導体のいずれかで構成されたフィルムに組み合わせることで、光で電荷輸送を制御することができる。^[39]光電池は、電池が生成する電気の量を測定する回路に接続されている。回路は、最小および最大のルクスレベルの設定に応じて出力を決定して出力する。 ^[41]

フォトスイッチは、3次元アニメーションや画像の生成に使用されています。^[42]このディスプレイは、フォトスイッチ（スピロダミンとして知られる）のクラスとデジタル光処理技術で構成された媒体を利用して、3次元の構造化された光を生成します。紫外線と緑色の光パターンが染料溶液に向けられ、光活性化が開始され、「オン」のボクセルが作成されます。

光異性体の一方が他方よりも安定しているため、安定異性体から準安定異性体への異性化により、光エネルギーが化学ポテンシャルの形で自由エネルギーに変換され、太陽エネルギーを貯蔵する用途があります。^[43]

メロシアニンは光照射により高分子膜を横切ってプロトンを輸送することが示されています。膜の反対側に紫外線と可視光を照射すると、貯蔵電位とpH勾配が生成されました。 ^[44]

光スイッチ分子を多孔質金属有機構造体に組み込むことで、二酸化炭素などの気体分子を吸収できるほか、オプトエレクトロニクス、ナノメディシン、エネルギー貯蔵の向上にも貢献します。細孔の化学的性質を変えることで、ガスの吸着と脱着を調整し、スマート膜材料の進歩を図ることができます。^[44]

ドナー-アクセプターステンハウス付加物などの光スイッチング分子をポリマーソームに組み込むことで、光に反応して酵素を選択的に露出させ、細胞のいくつかの機能を模倣できるナノ粒子を形成するために使用されています。^[45]

液晶構造におけるキラル形状駆動変換は、双安定ヒドラゾンの光異性化によって達成され、長期的に安定したポリマー形状を生成します。^[46]吸収特性を変更できる光ゲート光学ウィンドウは、ヒドラゾン光スイッチで液晶をキラルドーピングするか、光定常状態の関数としてさまざまなコレステリック状態を運動学的にトラップすることによって作成できます。^[47]ネマティック液晶に光スイッチを組み込むと、自己組織化、結晶パッキング、および超分子相互作用の光反射特性を変更できます。^[48]

ジアリールエテンフォトスイッチは、書き換え可能な光ストレージへの応用が期待されています。光の照射により、書き込み、消去、読み取りがCD / DVDストレージと並行して行われ、パフォーマンスが向上します。^[49]新しいアゾキャリアフォトスイッチが分子ヒンジとして導入され、^{[50] [51]}分子機械や光学デバイスの設計に使用できます。^[52]

光薬理学の分野では、光スイッチが活性を制御する手段として研究されている。薬剤に光スイッチを含めると、薬剤はいくつかの生物学的活性状態をとる。光を使用してこれらの状態を切り替えることができ、薬剤の活性を遠隔制御できる。光スイッチは表面エネルギー特性を調節し、光スイッチ可能なシェルがナノ粒子とどのように相互作用するかを制御できることも示されている。 [ ⁵³ ]光変色性成分を含むマイクロカプセル化されたナノ構造の特性とサイズが独自に変化することで、光による標的部位への薬剤のカプセル化と分布が実証されている。^[54]

光スイッチは自己修復性ポリマー材料として研究されてきた。第一の方法は、様々な官能基の光調整可能性を組み込んで、異性体の1つで反応性を調節できるようにするものであり、第二の方法は、光駆動による原子価結合の互変異性化を組み込むものである。^[44]