Ultra hızlı X-ışınları, ışığa duyarlı moleküler anahtar azobenzenin nasıl şekil değiştirdiğini ortaya koyuyor

Azobenzen, ışıkla iki form arasında geçiş yapabilen en iyi bilinen moleküllerden biridir. Ancak molekülün ışığı emdikten sonraki ilk birkaç pikosaniyede (saniyenin trilyonda biri) nasıl hareket ettiği sorusu yaklaşık 50 yıldır çözümsüz kaldı.

KAIST Kimya Bölümü profesörü ve Temel Bilimler Enstitüsü (IBS) İleri Reaksiyon Dinamiği Merkezi (CARD) direktörü Hyotcherl Ihee liderliğindeki bir araştırma ekibi, ışığa duyarlı molekül azobenzenin yapısını değiştirdiği süreci tanımladı.

Ekip, reaksiyonun ilk aşamasında molekülün, merkezdeki iki nitrojen atomunun koordineli hareketi yoluyla şekil değiştirdiğini ve iki benzen halkasının neredeyse yerinde kaldığını gösterdi. Bulgunun, ışıkla çalışan malzemelerin ve moleküler ölçekli makinelerin tasarlanması için yararlı bilgiler sağlaması bekleniyor.

Bulgular dergide yayınlandı Doğa.

Işıkla çalışan bir anahtar için rakip açıklamalar

Azobenzen, iki nitrojen atomunun merkezi bağlantısıyla birbirine bağlanan iki benzen halkasından oluşur. Işığı emdiğinde molekül, iki halkanın bağlantının zıt taraflarında olduğu bir formdan (trans formu) aynı tarafta oldukları bir forma (cis formu) dönüşebilir.

Molekül aynı atomları tutar ve yalnızca konumları değişir. Araştırmacılar bu özelliği, ilaçların ışıkla aktivitesini kontrol etmek ve ışığa duyarlı malzemeler ve moleküler makineler geliştirmek için kullandılar.

Ancak molekülün değişimden önceki ve sonraki yapısı onun iki form arasında nasıl hareket ettiğini göstermez. Araştırmacılar farklı açıklamalar öne sürdüler. Bazıları iki halkanın önemli ölçüde döndüğünü, bazıları merkezi bağlantının düzeldiğini, diğerleri ise molekülün birkaç parçasının birlikte büküldüğünü öne sürüyor.

Reaksiyon sırasında oluşan yapılar doğrudan gözlemlenemeyecek kadar kısa bir süre boyunca var olduğundan bu sorunun çözülmesi zor olmuştur.

Ultra hızlı X-ışınları moleküler hareketi yakalar

Araştırma ekibi bu yapıları gözlemlemek için Pohang Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki (PAL-XFEL) X-ışını serbest elektron lazerini kullandı. Araştırmacılar reaksiyonu ilk olarak metanolde çözünmüş azobenzeni bir lazerle ışınlayarak başlattılar. Daha sonra ultra hızlı X-ışını darbelerini kullanarak yapısının zaman içinde nasıl değiştiğini ölçtüler.

Asıl zorluk, çevredeki solventten gelen çok daha güçlü sinyal tarafından gizlenen azobenzenden gelen zayıf sinyali tespit etmekti. Ekip, çözücünün katkısını matematiksel olarak ortadan kaldıran bir analiz yöntemi kullanarak iki sinyali ayırdı. Araştırmacılar, zamanın her noktasında alınan ölçümlere dayanarak molekülün hareketini bir film olarak yeniden oluşturdular.

Azot atomları bisiklet pedalları gibi hareket eder

Sonuçlar, azobenzenin iki büyük benzen halkasını aynı anda önemli ölçüde döndürerek şekil değiştirmediğini gösterdi. Bunun yerine reaksiyon, karbon-azot bağlarının bükülmesiyle başlar.

Bu ilk hareket sırasında, merkezi nitrojen bağlantısı, bir bisikletin iki pedalının hareketine benzer şekilde koordineli bir hareketle hareket eder ve bu, molekülün genel şeklini değiştirir.

Bu bulgu, çevredeki sıvı daha viskoz hale geldiğinde bile reaksiyon hızının neden önemli ölçüde değişmediğini açıklamaya yardımcı olur. Eğer molekülün iki büyük halkasını döndürmesi gerekiyorsa, çevredeki sıvının büyük bir miktarının yerini alması gerekirdi. Hareket esas olarak molekülün orta kısmında meydana geldiğinden, çok daha az sıvının yer değiştirmesi gerekir.

• 
  

• 
  

• 
  

Işığa duyarlı malzeme tasarımının temeli

Ihee, “Bu çalışma, azobenzenin ışığı emdikten sonra şeklini değiştirdiği yolu gösteriyor” dedi. Ekibin, çalışmanın araştırmacıların ışığa duyarlı geniş bir yelpazedeki moleküllerin nasıl çalıştığını anlamalarına yardımcı olmasını beklediğini, çünkü hızlı tepki veren organik moleküllerin hareketini gözlemlemeye yönelik yöntemleri geliştirdiğini ekledi.

Çalışma, azobenzen kullanan ilaçların veya malzemelerin performansını doğrudan iyileştirmedi. Bunun önemi, molekülün hareket ederken gerçekte izlediği yolu tanımlamasıdır. Bu, araştırmacıların ışığa duyarlı malzemeler ve moleküler makineler tasarlarken başvurabilecekleri temel verileri sağlar.

Her ikisi de diplomalarını KAIST’ten alan ve şu anda IBS’de bulunan Dr. Jungmin Kim ve Dr. Hosung Ki, çalışmanın ortak yazarlarıdır.