研究人员对一种被称为n -甲基吗啉的分子在紫外线照射下的细微运动进行了成像。
普罗维登斯R.I.[布朗大学]——研究人员利用超高速x射线脉冲拍摄了一种分子在结构运动过程中的高分辨率“电影”。这项发表在《自然化学》杂志上的研究以前所未有的细节揭示了这一过程的动力学——捕捉分子中单个电子的激发。
研究人员说，实时观察分子运动的能力为我们提供了对化学动力学过程的洞见，这在几十年前是不可想象的，最终可能有助于优化反应和设计新型化学。
“多年来，化学家们通过研究反应发生前后的分子结构来了解化学反应，”布朗大学(Brown University)新近毕业的博士布莱恩斯坦库斯(Brian Stankus)说。“实际上不可能观察化学过程，因为大多数分子转化都发生得非常快。但我们在实验中使用的这种超快光源使我们能够实时测量分子运动，这是第一次在这种大小的有机分子中如此清晰地观察到这种微妙的影响。”
这项工作是由布朗大学的化学家、SLAC国家加速器实验室的科学家和英国爱丁堡大学的理论化学家共同完成的该团队由布朗大学的化学教授彼得•韦伯(Peter Weber)领导。
在这项研究中，研究人员观察了有机分子n -甲基吗啉在紫外光脉冲刺激下的分子运动。利用SLAC的Linac相干光源(LCLS)发出的x射线脉冲，对不同阶段的分子动态响应进行了快照。
斯坦库斯说:“我们基本上是用紫外线照射分子，引起反应，然后在不到一秒钟的时间里，我们用x射线脉冲拍下一张‘照片’——实际上我们捕捉到了散射模式。”“我们一遍又一遍地重复这个过程，在紫外线脉冲和x射线脉冲之间设置不同的间隔，以创建一个时间序列。”
x射线根据分子的结构以特定的模式散射。当分子运动展开时，这些模式被分析和用来重建分子的形状。这一模式分析是由布朗大学的研究生、该研究的合著者王勇(音译)领导的。
实验揭示了一个极其微妙的反应，在这个反应中，只有一个电子被激发，导致了一种独特的分子振动模式。研究人员能够对电子激发和原子振动进行精细的成像。
这项研究的通讯作者韦伯说:“这篇论文是一个真正的里程碑，因为这是我们第一次能够非常清晰地测量处于激发态的分子的结构，并且具有时间分辨率。”
“在能量和时间上实现这些几乎无噪音的测量是一项不小的成就，”SLAC的资深科学家、该研究的合著者迈克·米尼蒂(Mike Minitti)说。“在过去的7年里，我们的合作在如何最好地使用各种LCLS诊断来精确测量x射线强度的微小波动方面学到了很多，在更大程度上，我们还跟踪了分子进化的飞秒级变化。所有这些都为定制数据分析例程的开发提供了依据，该例程实际上消除了对数据的讨厌的、不必要的信号。这些结果证明了我们可以达到的精确度。”
研究人员说，这个反应中一个特别有趣的方面是它是相干的，这意味着当这些分子群与光相互作用时，它们的原子会相互振动。
斯坦库斯说:“如果我们能利用这样的实验来研究光如何精确地引导数十亿分子的集体运动，我们就能设计出能够被连贯控制的系统。”“简单地说:如果我们确切地了解光如何引导分子运动，我们就能设计新的系统，并控制它们进行有用的化学反应。”
论文的其他合著者包括尼古拉·佐夫、詹妮弗·鲁多克、达伦·贝尔肖、托马斯·j·莱恩、梁孟宁、塞巴斯蒂安·鲍特、塞尔吉奥·卡巴约、约瑟夫·s·罗宾逊、杜文鹏、内森·戈夫、于昌、杰森·e·科格林和亚当·科兰德尔。该研究由美国能源部(DE-SC0017995)和陆军研究办公室(W911NF-17-1-0256)支持。LCLS的使用得到了美国能源部的支持(DE-AC02-76SF00515)
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://www.brown.edu/news/2019-07-11/molecular