“偶氮苯改变形状的原理是什么？”
无数研究者潜心探索、半个世纪未能打开的秘密之门，如今终于开启。研究人员在原子尺度上捕捉到两种短暂存在的中间体结构，并将其串联起来，以“分子电影”的形式重构反应过程，成为打开这扇门的钥匙。
“偶氮苯”是一种典型的光响应“分子开关”。此次发现有望为设计光驱动材料和微型分子机器提供新线索。
韩国科学技术院1日表示，该院化学系Lee Hyocheol教授团队与基础科学研究院先进反应动力学研究团合作，揭示了“偶氮苯”的结构变化过程。
偶氮苯由两个苯环通过两个氮原子连接而成。受到光照后，原本朝向相反方向的两个苯环可以转变为朝向同一方向的形态。原子本身没有变化，但其所在位置发生了改变。
此前，研究人员一直利用这一特性，探索通过光照调控药物活性，以及制造光响应材料和分子机器。
然而，仅了解分子变化前后的形态，并不足以掌握其变化过程，也就是运动方式。由于形态转变过程中的结构消失得过快，研究人员难以确认其形态变化的原理。出于同样的原因，关于两个苯环的运动幅度、中间连接部位是否展开，以及多个部位是否共同扭转等问题，研究者之间一直存在不同意见。
为解答这些疑问，联合研究团队利用浦项加速器研究所的X射线自由电子激光器，追踪分子的变化过程。他们先用激光照射溶于甲醇溶液中的偶氮苯，引发反应，再利用超快X射线测量其结构随时间发生的变化。
测量过程中，联合研究团队如同在嘈杂环境中辨别微弱声音一样，分离出来自分子的信号，并依据各个瞬间获得的测量结果，将分子的运动重构为影像。
结果显示，偶氮苯并非通过两侧苯环同时旋转来改变结构。研究团队还确认，碳与氮相连的部位首先发生扭转，随后中间氮连接部位的两侧像自行车踏板一样相互联动，从而带动整体结构发生变化。
（前排）Lee Hyocheol教授；（后排左起）Kim Jungmin博士后研究员、Alekos Segalina高级研究员、Gi Hoseong研究委员。韩国科学技术院供图
View original image联合研究团队认为，此次发现有望为解释为何周围液体黏度增加、反应速度却不会明显变化提供线索。如果需要转动两侧较大的苯环，就像在狭小空间内调整大型家具的朝向一样，必须推开较多周围液体；而如果主要是中心部位运动，排开周围液体的负担就会减轻。
Lee教授表示：“本研究揭示了分子实际运动的路径，为设计光响应材料和分子机器提供了可供参考的基础资料，因此具有重要意义。”他还表示：“今后，联合研究团队将进一步完善观察快速反应有机分子运动的方法，为理解各类光反应分子的工作原理作出贡献。”
此次研究由基础科学研究院研究员Kim Jungmin和Ki Hoseong（均毕业于韩国科学技术院）担任共同第一作者。研究成果于30日（英国当地时间）发表在国际学术期刊《自然》（Nature）网络版上。
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