科學(xué)家首次觀察到化學(xué)鍵形成過(guò)程 開(kāi)辟研究新領(lǐng)域

 據(jù)報(bào)道，繼2013年科學(xué)家通過(guò)原子力顯微鏡看到共價(jià)鍵的結(jié)構(gòu)之后，如今再次直接觀察到化學(xué)鍵的形成過(guò)程，打破了以往無(wú)法觀測(cè)過(guò)渡態(tài)化合物的定論。

《科學(xué)快訊》（Science Express）刊載了這一研究成果。斯坦福直線加速器中心（SLAC）國(guó)家加速實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們利用X射線激光觀察到了化學(xué)反應(yīng)中形成化學(xué)鍵的過(guò)渡狀態(tài)。由于化學(xué)反應(yīng)中的過(guò)渡態(tài)化合物的存在時(shí)間非常短，直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法觀測(cè)它們?cè)谥昂荛L(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都被認(rèn)為是不可能的任務(wù)。而現(xiàn)在的這一研究成果為化學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了重要的突破。

SLAC實(shí)驗(yàn)室及斯坦福表面科學(xué)與催化中心（SUNCAT）教授安德斯·尼爾森（Anders Nilsson）是這項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者。他表示：“這是所有化學(xué)領(lǐng)域的核心，我們視之為‘圣杯’，因?yàn)樗刂浦磺谢瘜W(xué)反應(yīng)。在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的任何一個(gè)時(shí)刻，處于這種過(guò)渡狀態(tài)的分子都太少了，所以我們以前一直認(rèn)為這種現(xiàn)象是無(wú)法直接觀察到的。”

最終，一種亮度非常高的X射線脈沖打破了這個(gè)不可能。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使用了SLAC的直線加速器相干光源（LCLS），這種波長(zhǎng)夠長(zhǎng)，頻率也夠高的射線脈沖可以捕捉運(yùn)動(dòng)中的原子和分子并成像。

研究人員使用LCLS研究了一個(gè)發(fā)生在固體催化劑表面的反應(yīng)，類(lèi)似的反應(yīng)也發(fā)生在汽車(chē)的尾氣凈化器當(dāng)中：固體催化劑表面“抓取”一氧化碳分子和氧原子并使它們相鄰排列，使它們更容易配對(duì)生成二氧化碳分子。

在SLAC的試驗(yàn)中，研究人員將一氧化碳與氧原子附著在金屬釕為催化劑的表面，并通過(guò)一束激光脈沖引發(fā)其反應(yīng)。研究小組通過(guò)LCLS的X射線脈沖得以觀察到此反應(yīng)的過(guò)程，弄清楚了這些原子周?chē)娮拥闹匦屡帕星闆r——這一不易察覺(jué)到的微妙過(guò)程發(fā)生在幾飛秒內(nèi)（飛秒為10-15次方秒）。

“首先氧原子活化，隨后不久一氧化碳分子也被激活”，尼爾森說(shuō)到，“它們開(kāi)始振動(dòng)，在約一萬(wàn)億分之一秒后，它們開(kāi)始相互碰撞并轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡態(tài)化合物。”

研究人員們驚訝于能觀察到相當(dāng)多的進(jìn)入過(guò)渡狀態(tài)的反應(yīng)物，同樣他們也發(fā)現(xiàn)，只有很小的一部分過(guò)渡態(tài)化合物真正順利地形成了穩(wěn)定的二氧化碳分子。剩下的大部分都沒(méi)能完成反應(yīng)，而是再次分開(kāi)成為反應(yīng)物。