美國能源部SLAC國家加速器實驗室的超快“電子相機”首次直接快照了分子中的原子核，這些分子在被激光脈沖擊中后在十億分之一秒內(nèi)振動。這種被稱為超快電子衍射(UED)的方法可以幫助科學(xué)家更好地理解核運動在光驅(qū)動過程中的作用，這些過程自然發(fā)生在極快的時間尺度上。

研究人員使用UED儀器的電子束在激光脈沖后的不同時間點觀察碘分子。通過將圖像拼接在一起，他們獲得了一個“分子電影”，顯示分子振動，兩個碘核之間的鍵合幾乎延伸50% - 從0.27到0.39百萬分之一毫米 - 然后返回到初始狀態(tài)。一個振動周期大約需要400飛秒; 一個飛秒，或百萬分之一秒的十億分之一，是光線傳播人類頭發(fā)寬度的一小部分所需的時間。

“我們已經(jīng)推動了這項技術(shù)的速度限制，以便我們現(xiàn)在可以實時看到氣體中的核運動，”聯(lián)合首席研究員，西非經(jīng)濟圈所的首席科學(xué)家王希杰說。“這一突破為精確研究生物學(xué)，化學(xué)和材料科學(xué)中的動態(tài)過程創(chuàng)造了新的機會。”

自20世紀(jì)80年代以來，世界各地的許多團體一直在開發(fā)UED方法。然而，電子束的質(zhì)量最近才變得足夠好以進行飛秒研究。SLAC的儀器受益于最初為實驗室的飛秒X射線激光器開發(fā)的高能量，超亮電子源，Linac相干光源(LCLS)，DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。

結(jié)果將發(fā)表在Physical Review Letters上。

一種看待核動作的直接方式

物理學(xué)家們早就知道原子之間的化學(xué)鍵是靈活的 - 就像連接球體的彈簧一樣。這種靈活性允許分子以對生物和化學(xué)功能至關(guān)重要的方式改變形狀，例如視覺和光合作用。然而，到目前為止，在飛秒時間尺度上研究這些運動的方法是間接的。

例如，光譜學(xué)從激光與原子核周圍的電子云相互作用的方式推斷出這些變化，并且需要理論計算將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為核幾何圖像。對于小分子來說，這可以非常精確地完成 - 這一成就使得已經(jīng)成為1999年諾貝爾化學(xué)獎的化學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)艾哈邁德·澤維爾(Ahmed Zewail)的成就 - 但對于較大的分子來說很快就會變得非常具有挑戰(zhàn)性。

研究人員還使用X射線研究超快分子運動。盡管X射線深入穿透電子云，與最接近原子核的電子相互作用，但它們尚未以足夠高的分辨率進行，以精確確定當(dāng)前飛秒X射線研究中的核位置。

相比之下，UED使用一束非常高能的電子，它們與分子中的電子和原子核相互作用。因此，它可以高分辨率直接探測核幾何。

“我們之前使用這種方法觀察分子的旋轉(zhuǎn) - 一種不會改變核結(jié)構(gòu)的運動，”研究報告時林肯內(nèi)布拉斯加大學(xué)SLAC的主要作者楊杰說。 。“現(xiàn)在我們已經(jīng)證明，由于振動，我們也可以看到債券的變化。”

分子雙縫實驗

碘UED實驗背后的概念類似于物理教室中常見的經(jīng)典雙縫實驗。在該實驗中，激光束穿過一對垂直狹縫，在屏幕上產(chǎn)生亮區(qū)和暗區(qū)的干涉圖案。圖案取決于兩個狹縫之間的距離。

在UED的情況下，電子束照射通過碘分子的氣體，每個分子中的兩個碘核之間的距離限定雙縫，并且撞擊檢測器而不是屏幕。在探測器上產(chǎn)生的強度圖案稱為衍射圖案。

德國波茨坦大學(xué)和斯坦福大學(xué)PULSE研究所的聯(lián)合首席研究員Markus Guehr說：“這種特征模式立即告訴我們原子核之間的距離。” “但我們可以學(xué)到更多。隨著碘分子的振動，衍射模式發(fā)生變化，我們可以實時跟蹤核分離的變化。”

一種有視角的方法

來自林肯內(nèi)布拉斯加大學(xué)的聯(lián)合首席研究員Martin Centurion說：“我們的方法也很棒，它適用于每一個分子。與其他依賴于從原始數(shù)據(jù)計算核結(jié)構(gòu)能力的技術(shù)不同，最適合小分子，我們只需要了解電子束的特性和實驗裝置。“

在使用相對簡單的碘分子的第一步之后，該團隊現(xiàn)在計劃將他們的研究擴展到具有兩個以上原子的分子。

“將UED開發(fā)成能夠?qū)崟r探測稀釋氣體樣品核間距變化的技術(shù)真是一項偉大的成就，”佛羅里達州立大學(xué)的UED專家，Zewail實驗室的前成員曹建明說。加州理工學(xué)院沒有參與這項研究。“這為研究許多系統(tǒng)中的原子級運動打開了大門 - 結(jié)構(gòu)動力學(xué)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間相互關(guān)系的核心。”