Cercetătorii surprind cu raze X ultrarapide mișcarea moleculei de azobenzen în timpul reacției la lumină
O echipă de cercetători a reușit să observe modul în care azobenzenul, una dintre cele mai cunoscute molecule care își schimbă forma sub acțiunea luminii, își modifică structura în primele câteva picosecunde după absorbția luminii. Rezultatele, publicate în revista Nature, pun capăt unei dispute științifice care dura de aproape 50 de ani.
Azobenzenul este format din două inele de benzen legate printr-o legătură centrală de doi atomi de azot. Când absoarbe lumină, molecula poate trece dintr-o formă în care inelele se află pe laturi opuse ale legăturii (forma trans) într-o formă în care acestea se află de aceeași parte (forma cis). Atomii rămân aceiași, doar pozițiile lor se schimbă. Această proprietate a fost folosită pentru a controla cu lumină activitatea unor medicamente și pentru a dezvolta materiale fotosensibile și mașini moleculare.
Cu toate acestea, structura moleculei înainte și după transformare nu arăta cum se deplasează ea între cele două forme. De-a lungul timpului au fost propuse mai multe explicații: unii cercetători au sugerat că cele două inele se rotesc semnificativ, alții că legătura centrală se îndreaptă, iar alții că mai multe părți ale moleculei se răsucesc împreună. Întrebarea a fost greu de lămurit deoarece structurile care se formează în timpul reacției există prea puțin timp pentru a putea fi observate direct.
Metoda experimentală folosită de cercetători
Echipa condusă de Hyotcherl Ihee, profesor în cadrul Departamentului de Chimie de la KAIST și director al Centrului pentru Dinamica Reacțiilor Avansate (CARD) de la Institutul pentru Științe de Bază (IBS), a folosit laserul cu electroni liberi cu raze X de la Laboratorul Acceleratorului din Pohang (PAL-XFEL) pentru a observa aceste structuri.
Cercetătorii au declanșat mai întâi reacția iradierea cu laser a azobenzenului dizolvat în metanol, apoi au măsurat modul în care structura sa se schimbă în timp, folosind puluri ultrarapide de raze X. Principala provocare a fost detectarea semnalului slab al azobenzenului, care era mascat de semnalul mult mai puternic al solventului din jur. Echipa a separat cele două semnale printr-o metodă de analiză care elimină matematic contribuția solventului. Pe baza măsurătorilor făcute în fiecare moment, cercetătorii au reconstruit mișcarea moleculei sub forma unui film.
Atomii de azot se mișcă precum pedalele unei biciclete
Rezultatele au arătat că azobenzenul nu își schimbă forma prin rotirea simultană și semnificativă a celor două inele mari de benzen. În schimb, reacția începe cu o răsucire în jurul legăturilor carbon–azot. În timpul acestei mișcări inițiale, legătura centrală de azot se deplasează într-o mișcare coordonată, asemănătoare modului în care se mișcă cele două pedale ale unei biciclete, iar aceasta schimbă forma generală a moleculei.
Această constatare ajută la explicarea motivului pentru care viteza reacției nu se schimbă semnificativ nici atunci când lichidul din jur devine mai vâscos. Dacă molecula ar trebui să rotească cele două inele mari, ar fi nevoită să deplaseze un volum mare din lichidul din jur. Deoarece mișcarea are loc în principal în partea centrală a moleculei, cantitatea de lichid care trebuie deplasată este mult mai mică.
O bază pentru proiectarea materialelor fotosensibile
„Acest studiu arată calea pe care azobenzenul își schimbă forma după ce absoarbe lumină”, a declarat Ihee. El a adăugat că echipa se așteaptă ca lucrarea să îi ajute pe cercetători să înțeleagă modul de funcționare al unei game largi de molecule fotosensibile, deoarece îmbunătățește metodele de observare a mișcării moleculelor organice care reacționează rapid.
Studiul nu a îmbunătățit direct performanța medicamentelor sau materialelor care folosesc azobenzen, însă semnificația sa constă în identificarea traseului pe care molecula îl urmează în realitate în timpul transformării. Aceasta oferă date de bază la care cercetătorii se pot raporta atunci când proiectează materiale fotosensibile și mașini moleculare.
Dr. Jungmin Kim și Dr. Hosung Ki, ambii absolvenți ai KAIST și în prezent la IBS, sunt primii autori ai studiului.
