สวิตช์โมเลกุลคือโมเลกุลที่สามารถเปลี่ยนสถานะระหว่างสถานะเสถียรหรือกึ่งเสถียร สองสถานะขึ้นไป ได้โดยใช้สิ่งกระตุ้นภายนอก (ภายนอก) หรือภายใน (ภายใน) เช่น การเปลี่ยนแปลงค่า pH แสง อุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า สภาพแวดล้อมขนาดเล็ก หรือเมื่อมีไอออนและลิแกนด์อื่น ๆ ^{[ 1 ] [ 2 ]}ในบางกรณี อาจต้องใช้สิ่งกระตุ้นหลายอย่างร่วมกัน^{[ 1 ]}สวิตช์โมเลกุลสามารถย้อนกลับได้มีการพิจารณานำไปใช้งานในหลากหลายด้าน แต่การใช้งานหลักๆ คือในเลนส์และหน้าต่างแบบเปลี่ยนสีตามแสง^{[ 1 ]}

สิ่งเร้าทางชีวภาพคือรูปแบบของสิ่งเร้าภายใน^{[ 3 ] [ 4 ]}ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาที่เกิดขึ้นรอบๆ เซลล์ เช่น ค่า pH ที่เปลี่ยนแปลงได้ การมีอยู่ของสารออกซิเดทีฟหรือรีดิวซ์ และเอนไซม์[ ^{5 ] ใน}ชีววิทยาของเซลล์โปรตีนทำหน้าที่เป็น โมเลกุล ส่งสัญญาณภายในเซลล์โดยการกระตุ้นโปรตีนอื่นในเส้นทางการส่งสัญญาณ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ โปรตีนจึงทำหน้าที่เป็นสวิตช์โมเลกุลโดยการสลับระหว่างสถานะที่ทำงานและไม่ทำงาน^{[ 6 ]}

ตัวอย่างเช่นการฟอสโฟรีเลชันของโปรตีนสามารถใช้เพื่อกระตุ้นหรือยับยั้งการทำงานของโปรตีนได้ สัญญาณภายนอกที่พลิกสวิตช์โมเลกุลอาจเป็นโปรตีนไคเนสซึ่งจะเพิ่ม หมู่ ฟอสเฟตให้กับโปรตีน หรือโปรตีนฟอสฟาเทสซึ่งจะกำจัดหมู่ฟอสเฟตออกไป^{[ 7 ]}เนื้อเยื่อปกติและเนื้อเยื่อที่เป็นโรคมีค่า pH ที่แตกต่างกัน ดังนั้นแนวทางปัจจุบันของระบบนำส่งยา ที่มีประสิทธิภาพ (DDS) จึงรวมถึงการใช้ความแตกต่างของ pH นี้เป็นตัวกระตุ้นภายใน ระบบนำส่งยาแบบนี้มีข้อได้เปรียบอย่างมากเหนือ วิธีการปลดปล่อย ยา แบบดั้งเดิม เนื่องจากสามารถปลดปล่อยยาได้อย่างเลือกสรรที่ค่า pH ทางสรีรวิทยาที่เฉพาะเจาะจง^{[ 8 ]}ตัวอย่างเช่น การศึกษาโดย Shi et al . ได้เสนอแพลตฟอร์มนาโนที่ตอบสนองต่อ pH/ปฏิกิริยาแบบเอนไซม์ต่อเนื่องสำหรับการใช้งานต้านเชื้อแบคทีเรีย^{[ 9 ]} สวิตช์ ที่ใช้กรดนิวคลีอิกเทียมจำนวนมากได้เปิดโอกาสใหม่ๆ ในด้านนาโนวิทยาของกรด นิวคลีอิก และชีวเคมีของ RNA/DNA ^{[ 1 ]}

ความสามารถของสารประกอบบางชนิดในการเปลี่ยนสีตามค่าpHเป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่ศตวรรษที่สิบหก^{[ 10 ]}ผลกระทบนี้เป็นที่รู้จักกันมาก่อนการพัฒนาทฤษฎีกรด-เบสเสียอีก สารประกอบเหล่านี้พบได้ในพืชหลากหลายชนิด เช่น กุหลาบ ดอกคอร์นฟลาวเวอร์ ดอกพริมโรส และดอกไวโอเล็ตโรเบิร์ต บอยล์เป็นคนแรกที่อธิบายผลกระทบนี้ โดยใช้สารสกัดจากพืช (ในรูปของสารละลายและกระดาษที่ชุบสาร) ^{[ 11 ]}ผลกระทบนี้เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างหรืออิเล็กตรอนในโมเลกุลเมื่อทำปฏิกิริยากับโปรตอน และเรียกว่า แอซิโดโครมิซึม โมเลกุลแอซิโดโครมิกมักใช้เป็นตัวบ่งชี้ค่า pHเช่นฟีนอลฟทาลีนเมทิลออเรนจ์และเมทิลเรดรูปแบบที่เป็นกรดและเบสของสารเหล่านี้มีสีที่แตกต่างกัน เมื่อเติมกรดหรือเบสสมดุลระหว่างสองรูปแบบจะถูกเปลี่ยนแปลง^{[ 12 ]}

ตัวอย่างในวรรณกรรมของสวิตช์โมเลกุลที่มีการตอบสนองต่อ pH แบบย้อนกลับได้ ได้แก่สไปโรไพแรน [ ^{13 ]}ไฮดราโซน [ ^{14 ] ผลิตภัณฑ์} Donor-Acceptor-Steenhouse (DASA) ^{[ 15 ]}สีย้อมเฮปตาเมทิน-ออกโซนอ^{ล [ 16 ]}เป็นต้น

สไปโรไพแรน (SP) เปลี่ยนสีจากสีน้ำเงินเมื่อมีกรด เช่น TFA ( กรดไตรฟลูออโรอะซิติก ) ไปเป็นรูปแบบวงแหวนเปิดที่ไม่มีสีเรียกว่าเมโรไซยานีน (MC) ในขณะที่ภายใต้สภาวะด่างจะกลับไปเป็นรูปแบบวงแหวนปิด SP อีกครั้ง^{[ 17 ]}พวกมันถูกเรียกว่าสวิตช์ตอบสนองคู่ เนื่องจากแสงยังสามารถใช้กระตุ้นการไอโซเมอไรเซชันได้^{[ 18 ]}กลไกการไอโซเมอไรเซชันของพวกมันแสดงอยู่ในรูปด้านบน เนื่องจากสังเคราะห์ได้ง่ายและมีความเสถียรทางแสงที่ดีเยี่ยม จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการถ่ายภาพทางชีวภาพและการตรวจวัดค่า pH ^{[ 19 ]}

ตัวอย่างที่น่าสนใจของสวิตช์โมเลกุลที่ตอบสนองต่อ pH แสดงโดยกลุ่มของ Yin ซึ่งพัฒนาเซ็นเซอร์ pH ที่ทำจากโพรบเรืองแสงแบบสไปโรไพแรนซึ่งสามารถใช้ในการตรวจจับ pH ที่แม่นยำและรวดเร็วโดยการสร้างแถบกระดาษ pH โพรบของพวกเขายังรวมเกลืออินโดลเป็นไซต์การเติมแบบนิวคลีโอฟิลิกที่ทำปฏิกิริยากับไอออน OH ⁻ (ไอออนไฮดรอกไซด์) ในสภาพแวดล้อม pH ที่แตกต่างกัน^{[ 20 ]}รายงานปี 2022 โดย Wang et al.แสดงให้เห็นว่านาโนคริสตัลเซลลูโลสแบบสไปโรไพแรนมีประโยชน์สำหรับเซ็นเซอร์ pH ^{[ 21 ]}

พฤติกรรมแอซิโดโครมิกของไฮดราโซน (C=NN-) เกิดจากการทอโทเมอไรเซชันภายใต้สภาวะที่เป็นกรดหรือเบส^{[ 22 ]}การเชื่อมโยงนี้มีประโยชน์ในการนำส่งยา (DDS) เนื่องจากอัตราการไฮโดรไลซิสที่เร็วขึ้นในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด^{[ 23 ]}

กรดยังสามารถช่วยปรับสถานะทางกายภาพของสวิตช์ได้อีกด้วย ในปี 2022 Quintard และเพื่อนร่วมงานได้แสดงให้เห็นการเปลี่ยนสถานะโซล-เจลของเอมีนต่างๆ โดยใช้กรดไตรคลอโรอะซิติก (TCA) เป็นเชื้อเพลิงเพื่อสร้างวัสดุอัจฉริยะชนิดใหม่ที่ควบคุมเวลาได้^{[ 24 ]}

อะโซเบนซีน	การไอโซเมอไรเซชัน แบบทรานส์-ซิส(E/Z)ของอะโซเบนซีนที่มีคุณสมบัติโฟโตโครมิกได้รับการใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางในสวิตช์โมเลกุล เมื่อเกิดการไอโซเมอไรเซชัน อะโซเบนซีนจะมีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพ รวมถึงรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุล สเปกตรัมการดูดกลืนแสง และโมเมนต์ไดโพล[ 25 ] [ 26 ] การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเหล่านี้ทำให้สามารถใช้อะโซเบนซีนในแอปพลิเคชันต่างๆ ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อะโซเบนซีนที่รวมอยู่ในคราวน์อีเทอร์จะให้ตัวรับที่สามารถสลับได้ และอะโซเบนซีนในชั้นโมโนเลเยอร์สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติพื้นผิวที่ควบคุมด้วยแสงได้[ 27 ]
ไดอารี่เลเธเนส	ไดอารีเลทีนจะเกิดการเปลี่ยนแปลงแบบย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ระหว่างรูปแบบไอโซเมอร์แบบเปิดวงแหวนและแบบปิดวงแหวนเมื่อสัมผัสกับแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกัน[ 28 ]สวิตช์แสงที่ใช้ไดอารีเลทีนเป็นพื้นฐานแสดงให้เห็นถึงความต้านทานต่อความล้าจากแสงสูง ทำให้สามารถผ่านวงจรการสลับแสงได้หลายรอบโดยมีการเสื่อมสภาพน้อยที่สุด[ 29 ]สารประกอบเหล่านี้ยังได้รับการยอมรับในการพัฒนาอุปกรณ์หน่วยความจำเคมีแสงที่มีอายุการใช้งานยาวนานเนื่องจากความเสถียรทางความร้อนของทั้งสองรูปแบบแสงของไดอารีเลทีน[ 28 ]
สไปโรไพแรนและสไปโรออกซาซีน	สไปโรไพแรน ซึ่งเป็นสารประกอบโฟโตโครมิกที่เก่าแก่ที่สุดชนิดหนึ่ง มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับสไปโรออกซาซีน หลังจากการฉายรังสี UV วงแหวนจะเปิดออก เกิดเป็นระบบคอนจูเกตที่สามารถดูดซับแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งทำให้โมเลกุลมีสีสัน เมื่อนำแหล่งกำเนิดแสง UV ออก โมเลกุลจะค่อยๆ คลายตัวกลับสู่สถานะพื้นฐาน พันธะคาร์บอน-ออกซิเจนจะก่อตัวขึ้นใหม่ และโมเลกุลจะกลับสู่สถานะที่ไม่มีสี โฟโตโครมประเภทนี้โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีความไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ในรูปแบบหนึ่ง และจะกลับคืนสู่รูปแบบที่เสถียรในที่มืด เว้นแต่จะถูกทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิต่ำ[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]
ฟุลกิดีสและฟุลกิมิดีส	เช่นเดียวกับไดอาริลอีเทน พฤติกรรมโฟโตโครมิกของฟุลไจด์และฟุลไจไมด์ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาการเปิดและปิดวงแหวนอิเล็กโทรไซคลิก 6π [ 33 ]พวกมันเป็นโฟโตสวิตช์โฟโตโครมิกสูงและสามารถเปลี่ยนกลับไปกลับมาระหว่างสองรูปแบบไอโซเมอร์เมื่อสัมผัสกับแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกัน[ 33 ] [ 34 ]สารประกอบเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความล้าทางเคมีแสงต่ำ ความเสถียรทางความร้อนสูง และผลผลิตการแปลงสูง[ 35 ] [ 36 ]

โมเลกุลที่เกิดการไอโซเมอไรเซชันเมื่อสัมผัสกับแสงที่มีความยาวคลื่นที่เหมาะสมเรียกว่าโฟโตสวิตช์สมาชิกในกลุ่มนี้ได้แก่อะโซเบนซีนไดอาริลอีเทน ไดไท อีนิลอีเทน ฟุล ไจด์ สติล เบน นอ ร์บอร์นาไดอีน สไป โรไพแรน ไฮดรา โซน อินดิโกอิด^{[ 37 ]}ไดอะโซซีน^{[ 38 ]}และฟีนอกซีแนฟทาซีนควิโนน^{[ 39 ]}

แรงบันดาลใจในการศึกษาเกี่ยวกับสวิตช์ที่ไวต่อแสงมาจากการทำความเข้าใจเกี่ยวกับเรตินัลในที่มืด เรตินัลส่วนใหญ่จะอยู่ในโครงสร้างแบบออล-ทรานส์ ยกเว้นพันธะซิสที่ตำแหน่ง C-11 เมื่อสัมผัสกับแสง มันจะเกิดการเปลี่ยนไอโซเมอร์ด้วยแสงไปเป็นโครงสร้างแบบออล-ทรานส์

การเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง ทางกายภาพ หรือทางเคมีที่เกิดจากแสงอาจเกี่ยวข้องกับการเกิดไอโซเมอไรเซชันของพันธะ (ซิส ↔ ทรานส์) การถ่ายโอนอิเล็กตรอน การถ่ายโอนโปรตอนในสถานะกระตุ้น กลไกการเปิดและปิดวงแหวน^{[ 40 ]}ไอโซเมอไรเซชันเหล่านี้ส่งผลต่อคุณสมบัติทางแสง ตัวอย่างเช่น ค่าการดูดกลืนแสงสูงสุดของ(Z) -อะโซเบนซีนจะเลื่อนไปทางสีน้ำเงินเมื่อเทียบกับ ( E) -อะโซเบนซีน^{[ 1 ]}

มีการศึกษาสวิตช์ที่ใช้เอโซซึ่งขับเคลื่อนด้วยแสงจำนวนมาก^{[ 41 ]}

สวิตช์โมเลกุลไครออปติคอลเป็นกลุ่มย่อยเฉพาะที่มีการสลับทางเคมีแสงเกิดขึ้นระหว่าง เอ ^นันติโอเมอร์ในสารประกอบเหล่านี้ "การอ่านค่า" จะทำโดยไดโครอิซึมแบบวงกลม [ ^{42 ]}อัลคีนที่ถูกกีดขวางสามารถเปลี่ยนเฮลิซิตี้ (ดู: ไครัลลิตี้แบบระนาบ ) เพื่อตอบสนองต่อการฉายรังสีด้วย แสงโพลาไรซ์แบบวงกลมขวาหรือซ้าย สวิตช์โมเลกุลไครออปติคอลที่แสดงการเคลื่อนที่แบบมีทิศทางถือเป็นมอเตอร์โมเลกุลสังเคราะห์^{[ 43 ]}เมื่อติดอยู่กับปลายของพอลิเมอร์โพลี (ไอโซไซยาเนต) แบบเกลียว พวกมันสามารถสลับทิศทางเกลียวของพอลิเมอร์ได้^{[ 44 ]}

สปีชีส์ที่มีสถานะ รีดอกซ์มากกว่าหนึ่งสถานะเป็นสวิตช์ที่มีศักยภาพ เมื่อคุณสมบัติทางแสงของสถานะรีดอกซ์แตกต่างกัน บางครั้งรีดอกซ์จะถูกเรียกว่าอิเล็กโทรโครมิซึม [ ^{45 ] ตัวอย่าง}เช่นเฟอร์โรซีนซึ่งมีสีส้ม จะถูกออกซิไดซ์เป็นแคตไอออนเฟอร์โรซีเนียม สีน้ำเงิน ^{[ 46 ]}

เซนเซอร์ที่ใช้การเรืองแสงจำนวนมากอาศัยกลไกคู่รีดอกซ์ของสวิตช์ ซึ่งในรูปแบบออกซิไดซ์จะดับการเรืองแสงของฟลูออโรฟอร์ ในขณะที่ในสถานะรีดิวซ์จะไม่ดับ หรือในทางกลับกัน ตัวอย่างอื่นๆ ได้แก่ ไบอินเดโน[2,1-b]ไทโอฟีนิลิดีน (BTP) ^{[ 47 ]}ไวโอโลเจนแนฟเทลีนไดอิไมด์^{[ 48 ]}ไบไพริดิเนียม^{[ 49 ]}และคอมเพล็กซ์รีดอกซ์โลหะ-ลิแกนด์^{[ 50 ]}

เซนเซอร์ทางเคมีไฟฟ้าตัวแรกสำหรับการจับไอออนโลหะแบบเลือกได้ถูกออกแบบโดยใช้เฟอร์โรซีน^{[ 51 ]}เนื่องจากการ ผลักกัน ทางไฟฟ้าสถิต สูง ของไอออนโลหะ (ที่ถูกดูดซับโดยตัวรับ) การออกซิเดชันของเฟอร์โรซีน (Fc เป็น Fc ⁺ ) จึงทำได้ยาก ในขณะที่การดูดซับแอนไอออนจะทำได้ง่ายขึ้น เนื่องจากมีประจุลบเพื่อทำให้ระบบเสถียรโดยปฏิกิริยาแบบดึงดูด จึงทำให้ศักยภาพรีดอกซ์ของ Fc เปลี่ยนไปในทิศทางแคโทดิก กล่าวคือ ไปในทิศทางบวกน้อยลง ดังนั้น คุณสมบัติรีดอกซ์ที่แตกต่างกันของ Fc จึงช่วยในการจับไอออนแบบเลือกได้^{[ 46 ]}นอกจากนี้ ไบอินเดโน[2,1-b]ไทโอฟีนิลิดีน เมื่อถูกออกซิเดชันจะเปลี่ยนจากรูปแบบที่เป็นกลางไปเป็นรูปแบบที่มีประจุ ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของการนำไฟฟ้าของโมเลกุล และด้วยเหตุนี้ จึงถูกใช้เป็นตัวกระตุ้นหรือสารเจือปนเพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติพื้นผิวของ พอลิเม อร์หรือนาโน วัสดุ ^{[ 47 ]}

ในปี 2024 ศาสตราจารย์เบน เฟริงกาและกลุ่มของเขาได้รายงานเฮลิซีนที่มีบิสไทโอแซนทิลิดีนที่เชื่อมด้วยอินดีโนฟลูออรีนเป็นสวิตช์ใหม่ที่เกิดกระบวนการรีดอกซ์สองอิเล็กตรอน ทำให้สามารถปรับเปลี่ยน ลักษณะ (แอนตี้)อะโรมาติกได้แบบย้อนกลับ^{[ 52 ]}

ในสวิตช์โมเลกุลความร้อน การเปลี่ยนแปลง โครงสร้างหรือคอนฟอร์เมชันจะถูกเหนี่ยวนำโดยอุณหภูมิ^{[ 53 ]}กลไกที่รับผิดชอบต่อพฤติกรรมเทอร์โมโครมิกคือการได้รับระนาบในแอลคีนที่แออัด การเกิดทอโทเมอไรเซชันของคีโต-อีโนลการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างผลึก (ส่วนใหญ่พบในวัสดุอนินทรีย์ เช่น การเปลี่ยนโครงสร้างผลึกทรงแปดเหลี่ยมเป็นทรงสี่เหลี่ยม) ^{[ 54 ]}การก่อตัวของอนุมูลอิสระและปฏิกิริยาการเปิดวงแหวน^{[ 55 ]}โมเลกุลบางชนิดแสดงการเปลี่ยนแปลงสีแบบย้อนกลับได้เมื่อถูกทำให้ร้อนหรือเย็นตามลำดับ ตัวอย่างของโมเลกุลอินทรีย์เทอร์โมโครมิก ได้แก่ อีเทนที่แออัด (เช่น ไบแอนโทรนและไดแซนทีลีน) เบสชิฟฟ์และสารประกอบสไปโร

ในปี พ.ศ. 2542 มีการตีพิมพ์ตัวอย่างแรกของสีย้อมเทอร์โมโครมิกซึ่งแสดงให้เห็นว่า 2,6-diphenyl-4-(2,4,6-triphenylpyridinio)phenolate (DTPP) และสีย้อมตัวบ่งชี้ Cresol Red ที่ฝังอยู่ในโครงข่ายเจลพอลิเมอร์ มีคุณสมบัติเทอร์โมโครมิซึมที่โดดเด่น ^{[ 56 ]}การตอบสนองทางความร้อนที่แตกต่างกันของRNAและDNAที่อุณหภูมิแปรผันเป็นปรากฏการณ์ที่น่าสนใจ Tashiro et al. (2005) ได้สร้างอุปกรณ์ชีวโมเลกุลโดยใช้คุณสมบัตินี้ของ DNA และ RNA ^{[ 57 ]}พวกเขาติดฟลูออโรฟอร์ ( 2-aminopurene ) เข้ากับทั้งสาย DNA และ RNA สัญญาณฟลูออเรสเซนซ์ของฟลูออโรฟอร์จะเปลี่ยนจาก "เปิด" เป็น "ปิด" เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนจากต่ำไปสูงสำหรับอุปกรณ์ DNA และในทางกลับกันสำหรับอุปกรณ์ RNA ดังนั้นจึงประสบความสำเร็จในการสร้างอุปกรณ์ที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิแบบย้อนกลับได้โดยใช้ RNA และ DNA

ในปี 2011 Feng และคณะได้รายงานเทอร์โมมิเตอร์ไตรอาริลโบโรนเรืองแสงที่ไวต่ออุณหภูมิซึ่งแสดงผลผลิตควอนตัม สูง และการเปลี่ยนแปลงสีที่อุณหภูมิหลากหลาย^{[ 58 ]} วัสดุเทอร์โมโครมิก (TC) ที่ใช้สีย้อมลูโค (LD) ได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในการจัดเก็บพลังงาน เซ็นเซอร์ และการจัดเก็บหน่วยความจำแบบออปติคอล ^{[ 59 ]}รายงานล่าสุดในปี 2022 โดย Fei และคณะได้แสดงให้เห็นสวิตช์เทอร์โมโครมิกที่ควบคุมด้วยแสงโดยใช้สัญญาณอินพุตสี่ตัว อนุพันธ์ของอะโซเบน ซีน ถูกใช้เพื่อล็อคตัวพัฒนาสีและสีย้อมลูโคที่อุณหภูมิที่ต้องการ^{[ 60 ]}

การสังเคราะห์คราวน์อีเทอร์ด้วยแสงครั้งแรกผ่านการไดเมอไรเซชันของแอนทราซีนด้วยแสงได้รับการอธิบายในปี 1978 โดย Desvergne & Bouas-Laurent ^{[ 61 ] [ 62 ]}แม้ว่าจะไม่สามารถสลับได้อย่างเคร่งครัด แต่สารประกอบนี้สามารถรับแคตไอออนได้หลังจากการกระตุ้นด้วยแสง การย้อนกลับไม่สามารถทำได้ด้วยแสง ตัวทำละลาย (อะซีโตไนไตรล์) จะทำให้ได้รูปแบบเปิดกลับคืนมา

กลุ่มแอนทราซีนทำหน้าที่เป็นโฟโตแอนเทนนาที่สามารถควบคุมโครงสร้างของคราวน์อีเทอร์ ซึ่งจะควบคุมปฏิกิริยาทางเคมีของพวกมันได้^{[ 63 ]}เมื่อดูดซับแสง พวกมันสามารถกระตุ้น การไอโซ เมอไรเซชันแบบทรานส์-ซิสของกลุ่มอะโซ ซึ่งส่งผลให้วงแหวนขยายออก ดังนั้น ในรูปแบบทรานส์ คราวน์จะจับกับไอออนแอมโมเนียมลิเธียมและโซเดียม ได้ดีกว่า ในขณะที่ใน รูปแบบ ซิสจะจับกับโพแทสเซียมและรูบิเดียม ได้ดีกว่า (ทั้งสองเป็นไอออนขนาดใหญ่ใน กลุ่ม โลหะอัลคาไล เดียวกัน ) ในที่มืด การไอโซเมอไรเซชันแบบย้อนกลับจะเกิดขึ้น แนวคิดของอุปกรณ์นี้เลียนแบบการทำงานทางชีวเคมีของโมเนนซินและไนเจริซิน : ในระบบสองเฟส ไอออนจะถูกดูดซับ กระตุ้นด้วยแสงในเฟสหนึ่ง และถูกสะสมในอีกเฟสหนึ่งเมื่อไม่มีแสง^{[ 64 ]}

นอกเหนือจากการปรับเปลี่ยนเฟสของสารละลายของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลโฮสต์และเกสต์แล้ว ปฏิสัมพันธ์ในเฟสของแข็งสำหรับการใช้งานจริงในอุปกรณ์เชิงฟังก์ชันก็ได้รับการสำรวจเช่นกัน วัสดุโฮสต์ที่ฝังอยู่ในนาโนวัสดุแสดงให้เห็นถึงกิจกรรมพื้นผิวและความสามารถในการตรวจจับที่ดีขึ้น ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในนาโนเทคโนโลยี ชีววิทยา สิ่งแวดล้อม และเทคโนโลยีพลังงานได้^{[ 65 ]}

สวิตช์โมเลกุลขั้นสูงบางส่วนมีพื้นฐานมาจากสถาปัตยกรรมโมเลกุลที่เชื่อมต่อกันทางกลไกโดยที่สถานะเสถียรสองสถานะจะแตกต่างกันที่ตำแหน่งของมาโครไซเคิล^{[ 66 ]}ระบบเหล่านี้ช่วยให้สามารถสลับสถานะต่างๆ ได้อย่างไดนามิกและย้อนกลับได้เพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก เช่น แสง ค่า pH กระบวนการรีดอกซ์ หรือแรงทางกลเนื่องจากประกอบด้วยส่วนประกอบโมเลกุลหลายส่วนที่พันกันในเชิงพื้นที่แต่ไม่ได้เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ นอกจากนี้ยังให้ความเสถียรที่ดีกว่าแก่ระบบโดยการเชื่อมต่อโมเลกุลแขกที่ไซต์เฉพาะ เมื่อเปรียบเทียบกับแขกที่ไม่ได้รับการป้องกันในสวิตช์โมเลกุลแบบโฮสต์-แขก

ในปี พ.ศ. 2534 Stoddart ^{[ 67 ]}ได้คิดค้นระบบขนส่งโมเลกุลโดยใช้โรแทกเซน เป็น พื้นฐาน ซึ่งลูกปัด โมเลกุล สามารถเคลื่อนที่ไปมาระหว่างสถานีเชื่อมต่อ สองสถานีที่อยู่บน เส้นใยโมเลกุลStoddart ทำนายว่าเมื่อสถานีทั้งสองไม่เหมือนกัน โดยแต่ละสถานีจะถูกกระตุ้นด้วยสิ่งเร้าภายนอกที่แตกต่างกัน ระบบขนส่งนี้จะกลายเป็นเครื่องจักรโมเลกุล ในปี พ.ศ. 2536 Stoddart ถูกนักบุกเบิกด้านเคมีเหนือโมเลกุลอย่าง Fritz Vögtle แย่งผลงานไป โดยเขาได้สร้างโมเลกุลที่สามารถสลับการทำงานได้ ไม่ใช่โดยใช้โรแทกเซน แต่เป็นคาเทเนนที่ เกี่ยวข้อง ^{[ 68 ] [ 69 ]}

ภาพถ่ายโซ่แขวนแบบสลับได้ Vögtle 1993		สวิตช์ระดับโมเลกุล ไคเฟอร์และสโตดดาร์ท 1994

สารประกอบนี้มีพื้นฐานมาจากระบบวงแหวนสองระบบ: วงแหวนหนึ่งประกอบด้วยวงแหวนอะโซเบนซีนที่สามารถเปลี่ยนสถานะด้วยแสงและ สถานีเชื่อมต่อ พาราควอต สอง สถานี และอีกวงแหวนหนึ่งเป็นโพลีอีเทอร์ที่มี วงแหวนอะ รีนสองวงซึ่งมีแรงยึดเกาะกับหน่วยพาราควอต ในระบบนี้ การวิเคราะห์ด้วยสเปกโทรสโกปี NMR แสดงให้เห็นว่าในรูปแบบอะโซทรานส์ วงแหวนโพลีอีเทอร์สามารถหมุนรอบวงแหวนคู่ของมันได้อย่างอิสระ แต่เมื่อแสงกระตุ้นรูปแบบอะโซซิส โหมดการหมุนนี้จะหยุดลง

มีการใช้โมเลกุลชัตเติลในวงจรDRAMทดลอง^{[ 70 ]}อุปกรณ์ประกอบด้วยอิเล็กโทรดนาโนไวร์ซิลิคอน ด้านล่าง 400 เส้น (กว้าง 16 นาโนเมตร (nm) ที่ช่วงห่าง 33 นาโนเมตร) ตัดกับนาโนไวร์ ไทเทเนียมด้านบนอีก 400 เส้นที่มีขนาดใกล้เคียงกัน คั่นกลางด้วยชั้น โมโนเลเยอร์ ของโรแทกเซนแบบไบสเตเบิลดังที่แสดงด้านล่าง:

จุกปิด ไดเอทิลีนไกลคอลที่ชอบน้ำทางด้านซ้าย (สีเทา) ถูกออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อยึดติดกับลวดซิลิคอน (ที่ทำให้ชอบน้ำโดยการเติมฟอสฟอรัส) ในขณะที่ จุกปิดเต ตระอาริลมีเทน ที่ไม่ชอบน้ำ ทางด้านขวาจะทำหน้าที่เดียวกันกับลวดไทเทเนียมที่ไม่ชอบน้ำเช่นกัน ในสถานะพื้นฐานของสวิตช์ วงแหวนพาราควอตจะอยู่รอบ หน่วยเต ตระไทอาฟุลวาเลน (สีแดง) แต่จะเคลื่อนไปยัง หน่วยได ออกซีแนฟทิล (สีเขียว) เมื่อหน่วยฟุลวาเลนถูกออกซิไดซ์โดยการจ่ายกระแสไฟฟ้า เมื่อฟุลวาเลนถูกรีดิวซ์กลับ จะเกิดสถานะ '1' ที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงซึ่งไม่เสถียรขึ้น และจะกลับสู่สถานะพื้นฐานโดยมีครึ่งชีวิตทางเคมีประมาณหนึ่งชั่วโมง ปัญหาของข้อบกพร่องถูกหลีกเลี่ยงโดยการใช้สถาปัตยกรรมที่ทนต่อข้อบกพร่อง ซึ่งพบได้ในโครงการเทราแมค เช่นกัน ด้วยวิธีนี้จึงได้วงจรที่มีบิตจำนวน 160,000 บิต บนพื้นที่ขนาดเท่าเซลล์เม็ดเลือดขาวซึ่งเทียบเท่ากับ^10¹¹บิตต่อตารางเซนติเมตร