超高速“电子相机”捕捉处于锥形交叉点的分子

科技工作者之家 2018-07-09

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▲在光驱动的化学反应中分子的能量分布。就像高尔夫球在弯曲的路径上滚动一样,分子可以沿着这些表面的反应路径运动。

被光轰击的分子,要么保持完整,要么分裂,美国能源部SLAC国家加速器实验室的一速度极快的“电子相机”记录下了这一关键时刻的最详细的原子画面。该研究结果有助于人们更好地理解在对生命来说至关重要的过程(如光合作用和视觉)或者有潜在危害的过程(如紫外线对DNA的破坏)中,分子是如何对光做出反应的。

在7月5日发表在《科学》杂志上的这项研究中,研究人员观察了一种其分子含有五个原子的气体。他们实时地观察了光线如何将分子中两个原子之间的键拉伸到一个“无返回临界点”(point of no return),从而使得分子进一步分离原子并让化学键断裂,或者让原子在保持化学键的同时振动。

“化学反应的起始点和结束点通常是显而易见的,但要获得这两者之间快速反应的快照要难得多。在决定一种反应的结果时,分子做一个事情或者另一个事情的节点是一个重要因素。现在我们第一次能够直接观察一个分子的原子核是如何在这样一个“十字路口”重新排列的。”文章作者,博士后Jie Yang说道。文章另一位作者,SLAC与斯坦福大学教授Todd Martinez 说:“我们所研究的系统是自然界中更为复杂的光驱动反应的一种范式。”

光驱动反应的第一步是相当快的。分子瞬间吸收光,从而导致电子和原子核的快速重新排列。为了实时观察发生了什么,研究人员需要超高速的摄像机,在飞秒内“冻结”运动。该研究中使用的照相机是一种超快电子衍射仪(UED),该仪器利用高能光束探测样品的内部,并在化学反应过程的不同时间点生成其原子结构的快照。这些快照串在一起,变成了一部关于原子运动的电影。

研究人员将激光照射到三氟碘甲烷分子的气体中,在几百飞秒的过程中观察到了碳原子和碘原子之间的键如何伸长到键断裂的位置,然后从分子中分离出碘,或是原子沿键的振动收缩。

观察结果与计算结果一致。激光“激活”了分子,将它们从低能量的基态提升到高能量的激发态。像这样的分子状态可以用能量景观来描述。就像高尔夫球在弯曲的路径上滚动一样,分子可以沿着这些表面的反应路径运动。

当不同分子状态相交时,反应可以朝几个方向进行。化学家称这一点为锥形交叉点。

“事实上,在锥形交叉点的分子同时存在于几种状态中——这是一种奇怪的现象,因为分子是微小的量子系统。”博士后Xiaolei Zhu说道。

Wang 说:“我们正在继续开发UED方法,以便在液体中观察类似的过程。这将使我们了解生物环境中光驱的化学反应。”

科界原创

  编译:Coke 审稿:alone    编辑:张梦   

来源:

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/07/180705144240.htm


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