Gli interruttori molecolari sono costituiti da una molecola che può spostarsi reversibilmente tra due stati stabili a seguito di un cambiamento di temperatura, ambiente chimico, luce o corrente elettrica.

Le transizioni degli interruttori molecolari vanno dall‘isomerizzazione cis → trans e trans → cis, il capovolgimento dell’anello, l’apertura e la chiusura dell’anello e i processi di trasferimento protonico intramolecolare. Queste molecole aprono a molte applicazioni nella nanoelettronica, nei nanoprocessori e nell’archiviazione di dati ad alta densità.

Esempi di interruttori molecolari

Rotaxani

I rotaxani sono strutture supramolecolari in cui in una molecola ciclica vi è un frammento molecolare lineare che lo attraversa da parte a parte che termina con gruppi voluminosi all’estremità. Essi hanno notevole stabilità ma la libera mobilità dei componenti è sufficientemente elevata, come quella delle supramolecole. Pertanto si può modificare la posizione relativa dei componenti in modo reversibile se l’interazione attrattiva tra i componenti può essere controllata da uno stimolo appropriato.

I rotaxani possono costituire nanomacchine negli interruttori molecolari e nelle applicazioni di memoria.

Il  rotaxano, infatti, può muoversi in modo reversibile tra lungo il suo asse sotto stimoli esterni, risultando in due configurazioni molecolari stabili note come stati “ON” e “OFF”.

In particolare vi sono vati interruttori molecolari del rotaxano che funzionano in risposta a stimoli, come la luce sia U.V. che visibile, la temperatura e l’ambiente acido o basico in cui i componenti del rotaxano cambiano in modo reversibile la loro posizione relativa.

Tra i componenti tipici della ruota presente in questi composti vi sono gli eteri corona ovvero molecole organiche contenenti idrogeno, carbonio e ossigeno: nella struttura della molecola, di tipo ciclico, ogni atomo di ossigeno è legato a due atomi di carbonio e disposti ad anello.

Gli eteri corona sono degli oligomeri dell’ossido di etilene che presentano l’unità ripetitiva –CH₂-CH₂-O-. Essi presentano una cavità interna della molecola che è una regione polare stante la presenza dei doppietti elettronici solitari presenti sugli atomi di ossigeno. All’inizio degli anni ’90 il chimico britannico James Fraser Stoddart ottenne un rotaxano facendo passare un’asta molecolare attraverso un anello di molecole e fissandola in posizione.

Interruttori  fotocromatici

Un interruttore fotocromatico è una molecola che può essere commutata otticamente tra due isomeri con proprietà ottiche diverse. Essi sono in grado di passare da una configurazione elettronica all’altra quando irradiati dalla luce di una data lunghezza d’onda.

Presentano due forme diverse che possono essere commutate dall’una all’altra e spesso di colore diverso come avviene nell’azobenzene che appare trasparente nel campo del visibile e colorato nell’U.V.

Nel 1937 si scoprì che l’azobenzene, usato come colorante nell’industria subiva la fotoisomerizzazione cis – trans. L’isomero trans è più stabile di quello cis e l’ interconversione cis → trans può avvenire attraverso l’assorbimento della luce

Questo composto, formato da due fenilammine i cui atomi di azoto sono legati tra loro da un doppio legame, è oggi uno degli interruttori molecolari più popolari per la sua struttura semplice e la sua affidabilità

Tra gli interruttori fotocromatici, oltre all’azobenzene, vi sono:

• diarileteni ovvero molecole che possono essere considerate come una molecola di etene in cui due atomi di idrogeno legati ai due atomi di carbonio sono sostituiti con due gruppi benzenici. A causa dell’impedimento alla rotazione intorno al doppio legame mostrano isomeria E/Z come, ad esempio l’(E)-stilbene e lo (Z)-stilbene
• spiropirani che sono in grado di dare risposte cromatiche a seguito di stimoli ambientali come l’esposizione a luce U.V. o visibile, variazione di polarità dell’ambiente, di pH e forza ionica. Queste molecole sono costituite da due gruppi funzionali eterociclici in piani ortogonali legati da un atomo di carbonio.

Lo spiropirano è una delle molecole fotocromatiche più studiate a causa del cambio di colore rapido e riproducibile risultante dalla fotoisomerizzazione tra la forma ad anello chiuso giallo e la forma merocianina ad anello aperto intensamente colorata