光スイッチは、電磁放射線の照射によって構造的形状と化学的性質を変化させることができる分子の一種です。分子機械という用語としばしば互換的に使用されますが、スイッチは形状の変化によって仕事をするのに対し、機械は仕事をします。 [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不可欠な構成要素です。[2]光照射により、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、さまざまな用途への応用が検討されています。
化学構造と性質


フォトクロミック化合物は、光照射によってその構造や配置を変化させます。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]などが挙げられます。
異性化
光の吸収による異性化の際には、π-π *または n-π *への 電子遷移が起こり、電子が励起状態から基底状態へ遷移する際に光(蛍光またはリン光)または熱が放出される。光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ると、光定常状態に達する。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、一方の割合が他方の割合よりも高くなる。[19]
機構
光異性化のメカニズムは多くの科学者の間で依然として議論の的となっているが、ポリエンのシス/トランス異性化は、ワンボンドフリップではなくフラツイストによるものであるという証拠が増えてきている。[20]ワンボンドフリップは反応性二重結合で異性化するのに対し、フラツイストは隣接する単結合で配座異性化を起こす。しかし、スチルベンの立体異性体の相互変換はワンボンドフリップを介して進行する。[21]
量子収率

光スイッチの最も重要な特性の一つは、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ある。量子収率は、アレニウス速度論を用いてモデル化および計算される。[22 ]光スイッチは溶液中または固体状態で存在することができるが、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反転のために、観察がより困難である。[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、低光誘起スイッチングが可能になり、光薬理学への応用が期待される。[24]
触媒
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配座の可逆的な変化により、光スイッチ可能な触媒作用が生じる。[25]最も広く研究されている光スイッチの一つであるアゾベンゼンは、光によるE配座からZ配座への異性化、および暗条件下で熱的に緩和してE異性体に戻る能力により、触媒活性を調節するための効果的なスイッチであることが示されている。[26]
生物学的

ロドプシン
人体において光照射によって構造変化を起こす生物学的な例として、膜結合型光受容体の一種であるロドプシンが挙げられます。[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高効率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と関連しています。[30]また、微生物の光ゲートチャネルやポンプとも関連しています。[31]
研究
フォトクロミック化合物を用いた視力回復の進歩が研究されてきました。高速異性化により、網膜細胞は光刺激を受けて活性化することが可能になり、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、失明したマウスの視覚反応が回復することが示されています。[32]この分野に関与する企業には、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ります。[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などが含まれます。[34]例えば、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、赤方偏移したアゾベンゼンは、イオンチャネル型グルタミン酸受容体の制御に使用されています。[36]
潜在的な用途
光スイッチは生物学、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分野で幅広い応用の可能性を秘めています。 [37] [ 38]
エレクトロニクス
光スイッチは、その異性体状態に応じて、電子機器に用いられるトランジスタを置き換える可能性を秘めている。 [39]光スイッチを様々な基板表面に接着することで、仕事関数を変化させることができる。例えば、ジアリールエテンを自己組織化単分子膜として金表面に組み込むことは、光電子デバイスへの応用が期待される。[40]
ジアリールエテンは、低温および室温でグラフェン電極間に置く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します。[41]様々な最高および最低の空分子軌道準位を開構造および閉構造に含む光スイッチを、 p型またはn型ドープ半導体からなる薄膜に組み込むことで、光による電荷輸送を制御することができます。[40]光電池は、電池が発電する電気量を測定する回路に接続されています。この回路は、設定された最小および最大のルクスレベルに応じて出力を決定し、出力します。[42]
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利用されてきました。[43]このディスプレイは、スピロダミンと呼ばれるフォトスイッチの一種とデジタル光処理技術を組み合わせた媒体を用いて、3次元の構造化光を生成します。紫外線と緑色の光パターンが染料溶液に照射され、光活性化が開始され、「オン」のボクセルが生成されます。
エネルギー貯蔵
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。[44]
メロシアニンは光照射により高分子膜を透過し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勾配が生成されます。[45]
ゲストの受け入れと解放
光スイッチング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だけでなく、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化させることで、ガスの吸着・脱着を調整し、スマート膜材料の進歩に貢献します。[45]
ナノリアクターと細胞模倣体
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することができるナノ粒子を形成するために使用されています。[46]
液晶
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。[47]吸収特性を変更できる光ゲート光学窓は、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。 [48]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化させることができます。[49]
光学ストレージ
ジアリールエテン光スイッチは、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。光照射により、書き込み、消去、読み取りをCD / DVDストレージと並行して実行でき、より優れた性能が得られます。[50]新規のアゾ基含有光スイッチは分子ヒンジとして提案されており、[51] [52]分子機械や光デバイスの設計に利用できます。[53]
光薬理学
光薬理学の分野では、光スイッチが活性制御手段として研究されています。薬剤に光スイッチを組み込むことで、薬剤は複数の生物学的活性状態をとることができます。光を用いてこれらの状態を切り替えることで、薬剤の活性を遠隔制御することが可能になります。また、光スイッチは表面エネルギー特性を調節することで、光スイッチシェルがナノ粒子と相互作用する方法を制御することも示されています。[54]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特異的に変化することを利用して、光による薬剤のカプセル化と標的部位への分布が実証されています。[55]
自己修復材料
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。第一の研究では、様々な官能基の光調整能を利用して異性体のいずれかの反応性を変化させる。第二の研究では、光駆動による原子価結合の互変異性化を利用する。[45]
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