50年にわたる論争、KAISTがアゾベンゼンを原子レベルで撮影

光を当てると構造が変わる「分子スイッチ」アゾベンゼンがどのように変化するのか、KAIST研究チームが約50年にわたる論争を原子レベルで時間順に解明した。化学科イ・ヒョチョル教授の研究チームは、基礎科学研究院（IBS）先進反応動力学研究団とともにこの成果を国際学術誌ネイチャーに9月30日（現地時間）掲載し、ネイチャーは今回の研究を、アゾベンゼンの構造変化を原子レベルで撮影した研究として紹介した。

アゾベンゼンは2つのベンゼン環が2つの窒素原子で連結された分子だ。光を受けると「トランス」型から「シス」型に変化するが、原子が生じたり消えたりするのではなく、分子内での配置が変わるものである。この性質により、光薬理学、スマート素材、分子機械など、光で作動するデバイス研究の代表的物質とされてきた。

これまでこの反応はピコ秒、すなわち1兆分の1秒のレベルで進行するため、直接観察が困難だった。そのため、両側のベンゼン環が回転するのか、窒素連結部が動くのかをめぐって複数の説明が並立してきた。

研究チーム（イ・ヒョチョル教授、キム・ジュンミン博士研究員、アレコス・セガリナ上級研究員、キ・ホソン研究委員が参加）は、ポハン加速器研究所のX線自由電子レーザーでメタノール溶液中の反応を開始させた後、時間差を置いて超高速X線を照射し、構造変化を測定した。溶液中では溶媒の信号が分子の信号よりはるかに大きく現れるため、研究陣はここから分子自体の微細な変化を抽出し、時間ごとの構造をつなぎ合わせた。

その結果、アゾベンゼンは両側のベンゼン環を一度に回す方式ではなかった。まずベンゼン環と窒素連結部の間がねじれ、続いて中央の窒素連結部を軸に両側が互いにかみ合うように動いた。研究陣はこれを、自転車のペダルが互いに逆方向に回る動きに例えた。トランスからシスへの変化にかかる時間は約17.1ピコ秒と測定された。

今回の成果の核心は、最終的な形を突き止めたことではなく、途中でどの部分が先に動くのかを確認した点にある。研究陣は、出発点と到達点の構造だけでなく、その間の動きの順序を解明することで、分子の作動原理を明らかにしたと説明した。

さらに、中心部を軸にして動けば周囲の溶液を大きく押し退けずに構造を転換できるという事実は、アゾベンゼンが周囲の液体の影響を大きく受けずに素早く変化する理由を説明している。今回の研究が直ちに新しい薬剤や素材を生み出したわけではないが、光で動く分子を設計する際に、どの部分を先に動かすべきかを判断するための構造的根拠を提示した。