Vědci po desítkách let odhalili, jak světlo mění tvar molekuly azobenzenu

Vědci po téměř padesáti letech objasnili, co se děje s molekulou azobenzenu v prvních okamžicích poté, co pohltí světlo. Azobenzen patří mezi tzv. molekulární fotospínače – látky, které dokážou měnit svůj tvar mezi dvěma formami, pokud jsou ozářeny světlem určité vlnové délky. Tato vlastnost z něj dělá jednu z nejvíce studovaných molekul v chemii posledních desetiletí, protože na podobném principu lze stavět materiály reagující na světlo, molekulární přepínače nebo léky, jejichž účinek lze aktivovat či deaktivovat světelným impulzem.

Azobenzen se vyskytuje ve dvou prostorových uspořádáních, které se liší polohou atomů kolem dvojné vazby dusík-dusík. V jedné formě je molekula přibližně rovná, zatímco ve druhé je ohnutá do tvaru připomínajícího písmeno U. Právě přepínání mezi těmito dvěma stavy pomocí světla je to, co molekulu činí tak užitečnou – stačí posvítit vhodným světlem a molekula změní tvar, což lze využít k ovládání vlastností materiálu nebo zařízení, do kterého je zabudována.

Problém ale po celou dobu spočíval v tom, že nikdo přesně nevěděl, jakou cestou se molekula mezi oběma formami dostává. Přepnutí totiž neprobíhá postupně nebo pomalu – odehrává se v extrémně krátkém čase, v řádu prvních několika pikosekund po absorpci světla, tedy v časovém úseku odpovídajícím zlomkům triliontiny sekundy. Během tak krátkého okamžiku molekula prochází sérií přechodných, nestabilních uspořádání, než se ustálí v konečné formě. Sledovat tento proces v reálném čase bylo donedávna prakticky nemožné, protože běžné experimentální metody nejsou dostatečně rychlé na to, aby zachytily děje odehrávající se v tak extrémně krátkých intervalech.

Vědecká komunita se touto otázkou zabývala od sedmdesátých let minulého století, kdy byly poprvé podrobněji studovány fotochemické vlastnosti azobenzenu. Navzdory velkému zájmu a pokroku v experimentálních technikách zůstávala přesná dráha přeměny molekuly dlouho nejasná. Existovalo několik konkurenčních teorií o tom, kterým směrem se molekula během přechodu vydává a jaké meziprodukty přitom vznikají. Tato nejistota trvala téměř padesát let a patřila mezi klasické nevyřešené problémy fotochemie.

Teprve kombinace moderních spektroskopických metod s extrémně krátkým časovým rozlišením a pokročilých výpočetních simulací umožnila vědcům zmapovat celý proces krok za krokem. Díky tomu bylo možné sledovat, jak se elektronová struktura molekuly mění bezprostředně po absorpci fotonu a jakým způsobem se atomy přeskupují, než molekula dosáhne nové stabilní konformace. Tento typ výzkumu vyžaduje přístroje schopné generovat a detekovat světelné pulzy o délce pouhých pikosekund až femtosekund, což je technologie, která se výrazně zdokonalila teprve v posledních letech.

Objasnění mechanismu přepínání azobenzenu má význam nejen z čistě vědeckého hlediska, ale i pro praktické aplikace. Přesná znalost toho, jak a jak rychle molekula mění tvar, umožňuje cíleněji navrhovat nové fotospínače s požadovanými vlastnostmi – ať už jde o rychlost přepnutí, citlivost na konkrétní vlnovou délku světla, nebo stabilitu obou forem. Takové molekuly se využívají například ve vývoji materiálů, které mění své mechanické nebo optické vlastnosti pod vlivem světla, v molekulární elektronice, nebo ve farmaceutickém výzkumu, kde se zkoumá možnost ovládat aktivitu léčiv pomocí světelných impulzů přímo v organismu.

Výsledky tohoto typu výzkumu zároveň ukazují, jak důležité je propojení experimentální fyzikální chemie s teoretickými výpočetními metodami. Bez schopnosti simulovat chování elektronů a atomových jader na tak krátkých časových škálách by totiž samotná experimentální data byla obtížně interpretovatelná. Právě tato synergie mezi experimentem a teorií byla klíčem k tomu, že se podařilo rozplést otázku, která vědce trápila téměř půl století. Azobenzen tak i nadále zůstává modelovým příkladem molekuly, na níž se testují nejmodernější metody zkoumání ultrarychlých chemických dějů.