这篇Science，打开化学反应研究的窗口！

全面了解液体中的反应需要在分子水平上进行测量，并具有足够的时间分辨率来绘制动力学图。这些研究可以解决这些反应的结构-功能相关性。与液态水电离相关的基本步骤为理解化学和生物学中的辐射-物质相互作用提供了一个框架，这对光合作用和其他生物反应至关重要。

当高能辐射撞击水分子时，它会触发一系列超快反应。首先，它踢出一个电子，留下一个带正电的水分子(H₂O⁺)。在不到一万亿分之一秒的时间内，这个水分子将一个质子交给另一个水分子。这会导致产生羟基自由基 (OH)——它几乎可以破坏生物体中的任何大分子，包括 DNA、RNA 和蛋白质——以及一个水合氢离子 (H₃O⁺ )，它们广泛存在于星际介质和彗星尾，并可能包含有关生命起源的线索。这个过程在100 fs（10万亿分之1秒）之内同时发生水合、弛豫和电离电子热化。在更长的时间内，水合和热化的电子通过成对或非成对复合与离子核和羟基自由基复合，该复合在几十皮秒到纳秒的时间尺度上进行。以前的时间分辨测量和理论研究报告了所涉及的基本步骤和瞬态物种的寿命。然而，考虑到时间分辨结构探针的局限性，时至今日，研究人员还没有直接观察到羟基-水合氢对。

通常，直接测量瞬态分子结构可以识别反应中间体并追踪反应物如何通过中间体到最终产物。然而，化学键的形成和断裂必须在飞秒时间尺度和亚超空间分辨率下进行，这只有在1980年代初期飞秒激光器出现后才成为可能。与高速摄影中的高速快门和快速手电筒的功能非常相似，飞秒激光脉冲可以拍摄原子运动的快照，基于超快脉冲的瞬态光谱学为反应动力学提供了重要的见解。然而，当将这些光学技术应用于大型复杂的分子系统时，将瞬态光谱学与核运动动力学联系起来会遇到巨大的障碍。

 超越水的超快结构动力学超快溶液相电子衍射研究

鉴于此，来自于美国SLAC国家加速器实验室王西杰（通讯作者）和Lin Ming-Fu（第一作者与通讯作者）使用液相超快电子衍射(UED)以原子时空分辨率捕获在水的光电离中产生的短寿命羟基自由基-阳离子对的瞬态结构——OH(H₃O⁺)。这些离子对在约250 fs内解离成一个OH自由基和一个H₃O⁺阳离子。此外，研究人员通过追踪加热水的结构变化，记录了液态水伴随的超快加热。这些观察结果揭示了瞬态反应中间体和能量从电离中心到水的动态流动，这可能发生在辐射分解过程中，这种反应在自然界中无处不在。相关研究成果以题为“Imaging the short-lived hydroxyl-hydronium pair in ionized liquid water”发表在最新一期《Science》上。值得注意的是这是继8月25日发表Nature之后的又一力作！（解读：Nature：美妙，首次直接观察到水分子的运动！）

“化学反应中的许多中间态和结构要么未知，要么尚未直接观察到”SLAC 杰出的科学家王西杰接受采访时说道。“我们可以使用 MeV-UED 来探索和捕获各种短暂而重要的复合物，为研究化学反应的发生打开一扇窗。

Science同期发表了上海交通大学曹建明教授的观点论文，认为Lin Ming-Fu的研究成果不仅在光解水过程中，首次以原子分辨率对OH（H₃O⁺）对实现了实时成像，彻底改变了超快电子衍射领域。为更复杂的溶液反应中间态测量打开了大门。可以对光合作用和其他生物光反应进行类似的研究，为廉价可再生能源和潜在抗癌药物的研发提供新见解。

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