Ultrafast X-ışınları ışığında azobenzenin şekil değiştirmesinin sırrı çözüldü

Kore’nin KAIST üniversitesi ve Temel Bilimler Enstitüsü (IBS)’nden liderliğinde Hyotcherl Ihee’in önderlik ettiği bir araştırma ekibi, neredeyse 50 yıldır çözülemeden gelen soruya yanıt buldu: Işık absorbe ettikten sonra ilk birkaç piko saniye içinde azobenzene adlı molekülün nasıl hareket ettiği. Ekip, ışığa duyarlı bu molekülün merkezindeki iki nitrogen atomunun uyumlu bir harekle birlikte hareket ederek şeklini değiştirdiğini, benzene halkalarının ise neredeyse yerinde kaldığını belirledi.

KAIST Kimya Bölümü Profesörü ve IBS’deki İleri Reaksiyon Dinamiği Merkezi (CARD) Direktörü Hyotcherl Ihee liderliğindeki ekip, azobenzenin ışıkla şekil değiştirme sürecini ortaya koydu. Bulgu, ışıkla çalışan malzemelerin ve moleküler ölçekli makinelerin tasarımında yol gösterici olması bekleniyor.

Işıkla yönetilen molekül anahtarı

Azobenzene, merkezinde iki nitrogen atomundan oluşan bir bağlanmayla birbirine bağlanan iki benzene halkasından oluşur. Işık absorbe ettiğinde molekül, iki halkasının bağlanmanın karşıt tarafında bulunduğu (trans) formdan, aynı tarafta olduğu (cis) forma dönüşebilir.

Molekül aynı atomları korur ve yalnızca bu atomların konumları değişir. Araştırmacılar bu özelliği ilaçların ışıkla kontrolünde ve ışığa duyarlı malzemeler ile moleküler makinelerin geliştirilinde kullanıyor.

Bununla birlikte, molekülün değişiklikten önceki ve sonraki yapısı, iki form arasında nasıl hareket ettiğini göstermiyor. Araştırmacılar farklı açıklamalar öne sürdü: Bazıları iki halkasının belirgin şekilde döndüğünü, bazıları merkez bağlanmasının düzleştiğini, diğerleri ise molekülün birkaç bölümünün birlikte büründüğünü iddia etti.

Sorunun çözülmesi zor oldu çünkü reaksiyon sırasında oluşan yapılar doğrudan gözlemlenebilecek kadar uzun süre var olamıyor.

Ultrafast X-ışınları molekül hareketini yakaladı

Araştırma ekibi, bu yapıları gözlemlemek için Pohang Hızlandırıcı Laboratuvarı’nın (PAL-XFEL) X-ray serbest elektron lazerini kullandı. Araştırmacılar önce metanol içinde çözünmüş azobenzene bir laserle ışık vererek reaksiyonu başlattı, ardından ultrafast X-ışını darbeleriyle yapısının zamanla nasıl değiştiğini ölçtü.

Ana zorluk, çevredeki çözücünün çok daha güçlü sinyalinin gömdüğü azobenzenden zayıf sinyalin tespit edilmesiydi. Ekip, matematiksel olarak çözücünün katkısını çıkaran bir analiz yöntemiyle iki sinyali ayırdı. Ardından her zaman noktasında alınan ölçümlere dayanarak molekülün hareketini bir film gibi yeniden inşa etti.

Nitrogen atomları bisiklet pedallarına benziyor

Sonuçlar, azobenzenin iki büyük benzene halkasını aynı anda belirgin şekilde döndürerek şeklini değiştirmediğini gösterdi. Bunun yerine reaksiyon, karbon-nitrogen bağlarına ilişkin bir bürünmeyle başlıyor.

Bu ilk hareket sırasında merkezdeki nitrogen bağlanması, bisikletin iki pedalının hareketine benzer biçimde uyumlu harekle hareket eder ve molekülün genel şeklini değiştirir.

Bulgular, reaksiyon hızının çevredeki sıvı daha viskoz olsa bile belirgin şekilde değişmemesinin nedenini açıklamaya yardımcı oluyor. Molekül iki büyük halkasını döndürmek zorunda kalsaydı, çevredeki sıvının hacimsel olarak büyük bir miktarını yerinden etmek zorundaydı. Hareket çoğunlukla molekülün merkezinde gerçekleştiği için çok daha az sıvı yerinden edilmesi gerekiyor.

Işığa duyarlı malzeme tasarımına dayanak

“Bu çalışma, azobenzenin ışık absorbe ettikten sonra şeklini değiştirmesine giden yolu gösteriyor,” dedi Ihee. Takımın, organik moleküllerin hızlı reaksiyonlarını gözlemlemek için kullanılan yöntemleri iyileştirdiği için çalışmanın geniş bir ışığa duyarlı molekül yelpazesinin nasıl çalıştığını anlamaya yardımcı olmasını beklediklerini ekledi.

Çalışma doğrudan azobenzene kullanan ilaçların veya malzemelerin performansını iyileştirmedi. Önemi, molekülün gerçekten takip ettiği yolu ortaya koymasında yatıyor. Bu da araştırmacılara ışığa duyarlı malzemeler ve moleküler makineler tasarladıklarında başvurabilecekleri temel veri sağlıyor.

KAIST’ten derecelerini alan ve artık IBS’de çalışan Doktor Jungmin Kim ile Doktor Hosung Ki, çalışmanın ortak ilk yazarlarıdır.

Jungmin Kim et al, X-ray liquidography decodes complex motions in azobenzene isomerization, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11068-4

Haber bilgileri:
Nature

Sağlayan:
The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)