اشعه ایکس فوق سریع نشان می دهد که چگونه سوئیچ مولکولی پاسخگو به نور آزوبنزن تغییر شکل می دهد

توسط موسسه علوم و فناوری پیشرفته کره (KAIST)

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

آزوبنزن یکی از شناخته شده ترین مولکول هایی است که می تواند توسط نور بین دو شکل جابجا شود. با این حال، این سوال که چگونه مولکول در چند پیکوثانیه اول (تریلیونم ثانیه) پس از جذب نور حرکت می کند، تقریبا 50 سال است که حل نشده باقی مانده است.

یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی Hyotcherl Ihee، استاد گروه شیمی در KAIST و مدیر مرکز دینامیک واکنش پیشرفته (CARD) در مؤسسه علوم پایه (IBS)، فرآیندی را شناسایی کرده‌اند که طی آن مولکول آزوبنزن واکنش‌دهنده به نور ساختار خود را تغییر می‌دهد.

این تیم نشان داده است که در مرحله اولیه واکنش، مولکول از طریق حرکت هماهنگ دو اتم نیتروژن در مرکز خود تغییر شکل می دهد، در حالی که دو حلقه بنزن آن تقریبا در جای خود باقی می مانند. انتظار می‌رود این یافته اطلاعات مفیدی را برای طراحی مواد و ماشین‌های در مقیاس مولکولی که با نور کار می‌کنند ارائه کند.

این یافته ها در مجله Nature منتشر شده است.

آزوبنزن از دو حلقه بنزن تشکیل شده است که توسط یک پیوند مرکزی از دو اتم نیتروژن به هم متصل شده اند. هنگامی که نور را جذب می کند، مولکول می تواند از شکلی که در آن دو حلقه در دو طرف پیوند قرار دارند (شکل ترانس) به شکلی که در یک طرف هستند (شکل cis) تغییر کند.

مولکول همان اتم ها را نگه می دارد و فقط موقعیت آنها تغییر می کند. محققان از این خاصیت برای کنترل فعالیت داروها با نور و توسعه مواد و ماشین های مولکولی پاسخگو به نور استفاده کرده اند.

با این حال، ساختار مولکول قبل و بعد از تغییر، نحوه حرکت آن بین دو شکل را نشان نمی دهد. محققان توضیحات مختلفی ارائه کرده اند. برخی پیشنهاد می کنند که دو حلقه به طور قابل توجهی می چرخند، برخی نشان می دهند که پیوند مرکزی صاف می شود، و برخی دیگر این که چندین قسمت از مولکول به هم می پیچند.

حل این سوال دشوار است زیرا ساختارهایی که در طول واکنش تشکیل می شوند برای مدت کوتاهی وجود دارند که نمی توان مستقیما مشاهده کرد.

تیم تحقیقاتی از لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس در آزمایشگاه شتاب دهنده پوهانگ (PAL-XFEL) برای مشاهده این ساختارها استفاده کرد. محققان ابتدا واکنش را با تابش آزوبنزن محلول در متانول با لیزر آغاز کردند. سپس با استفاده از پالس های پرتو ایکس فوق سریع، چگونگی تغییر ساختار آن در طول زمان را اندازه گیری کردند.

چالش اصلی شناسایی سیگنال ضعیف از آزوبنزن بود که توسط سیگنال بسیار قوی‌تر از حلال اطراف آن پنهان شده بود. تیم این دو سیگنال را با استفاده از یک روش تجزیه و تحلیل که به صورت ریاضی سهم حلال را حذف می کند، جدا کردند. بر اساس اندازه گیری های انجام شده در هر نقطه از زمان، محققان سپس حرکت مولکول را به عنوان یک فیلم بازسازی کردند.

نتایج نشان داد که آزوبنزن با چرخش همزمان دو حلقه بزرگ بنزن خود تغییر شکل نمی دهد. در عوض، واکنش با پیچ خوردگی در مورد پیوندهای کربن-نیتروژن آغاز می شود.

در طول این حرکت اولیه، پیوند مرکزی نیتروژن در یک حرکت هماهنگ حرکت می کند، شبیه به حرکت دو پدال یک دوچرخه، و این شکل کلی مولکول را تغییر می دهد.

این یافته به توضیح اینکه چرا سرعت واکنش حتی زمانی که مایع اطراف چسبناک تر می شود به طور قابل توجهی تغییر نمی کند کمک می کند. اگر مولکول مجبور بود دو حلقه بزرگ خود را بچرخاند، باید حجم زیادی از مایع اطراف را جابجا کند. از آنجایی که حرکت عمدتا در قسمت مرکزی مولکول رخ می دهد، مایع بسیار کمتری باید جابجا شود.

Ihee می گوید: «این مطالعه مسیری را نشان می دهد که آزوبنزن پس از جذب نور، شکل خود را تغییر می دهد. او افزود که این تیم انتظار دارد این کار به محققان کمک کند تا بدانند طیف وسیعی از مولکول‌های پاسخ‌دهنده به نور چگونه کار می‌کنند، زیرا روش‌هایی را برای مشاهده حرکت مولکول‌های آلی که به سرعت واکنش نشان می‌دهند، بهبود می‌بخشد.

این مطالعه به طور مستقیم عملکرد داروها یا موادی را که از آزوبنزن استفاده می کنند بهبود نداد. اهمیت آن در این است که مسیری را که مولکول در حال حرکت دنبال می کند، شناسایی می کند. این داده‌های اساسی را فراهم می‌کند که محققان می‌توانند هنگام طراحی مواد پاسخ‌دهنده به نور و ماشین‌های مولکولی به آن رجوع کنند.

دکتر جونگمین کیم و دکتر هوسونگ کی، که هر دو مدرک خود را از KAIST دریافت کردند و اکنون در IBS هستند، اولین نویسندگان این مطالعه هستند.

جونگمین کیم و همکاران، مایع شناسی اشعه ایکس، حرکات پیچیده را در ایزومریزاسیون آزوبنزن رمزگشایی می کند، طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11068-4

ارائه شده توسط موسسه علوم و فناوری پیشرفته کره (KAIST)

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →