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超高速电子摄像机拍到分子分裂过程

2018-7-14 环球解密

当分子受到光线照射时会产生两种截然不同的反应:继续保持完整或是分裂开来。最近,美国能源部斯坦福直线加速器中心(SLAC)国家加速器实验室的超高速电子摄像机就拍摄到了这一关键时刻的影片。

该成果发表在《科学》(Science)期刊上,它有助于我们更好地了解在对生命至关重要的(如光合作用)、或是存在潜在危险的(如紫外线带来的DNA伤害)过程中,分子如何对光照做出反应。

此次的研究对象是一种每个分子含有五个原子的气体。科学家们实时观察了光线如何将分子中两个原子之间的连接拉伸到“不可返回的临界点”,其结果是,分子或者进一步使原子间的连接断裂、分离原子,或者引起原子振动并同时保持这种连接。

“化学反应的起点和终点都显而易见,但要拍摄过程中的快速反应快照,却异常艰难,”论文第一作者、SLAC博士后研究员杨(Jie Yang)表示。“分子究竟是保持完整还是分裂,这个十字路口是决定反应结果的重要因素。我们现在首次能够直接观察分子的原子核如何在这一关键时刻重新排列。”

另一位作者、斯坦福大学SLAC的马丁内斯教授(Todd Martinez)表示,“我们研究的系统只是自然界中更为复杂的光驱动反应的一个范例。”比如,对紫外线光的吸收会损坏DNA,但其它机制却能把这种光的能量变为分子振动,从而将损害降至最低。

光驱动反应的前几步相当快,分子几乎是瞬间吸收光线,导致其电子和原子核迅速重新排列。若要进行实时观察,研究者们必须使用超高速摄像机,设法将飞秒(千万亿分之一秒)内发生的动作“冻结”。

此次研究使用的摄像机是用于超快电子衍射的仪器(UED),其高能电子束可探查某一样品的内部,及时拍摄其化学反应过程中不同时间点的原子构造。将这些快照串在一起,就变成了一部快速原子运动的影片。

在SLAC,科学家们用激光照射一种叫三氟碘甲烷气体的分子,并观察在数百飞秒过程中,其碳和碘原子之间的连接如何拉长至临界点,从而出现两种相反的结果:或是连接断裂、将碘从分子中分离出来,或是在这种连接附近引起原子的震动。

实验中,激光“激活”了分子,将其从低能量基态提升至高能激发态。这时的分子状态可以用能量地形来描述,高山处为高能量,低估处为低能量。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。当不同分子状态的“地形”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,”另一位研究者说。通过计算机模拟,他们已经预测到这种行为,而如今终于直接在实验中观察到了。

该团队正在继续开发UED研究方法,以期在液体中观察类似的过程,从而更加深入了解生物环境中光驱动的化学反应。

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