科學(xué)家利用“極端”方法，成功捕捉復(fù)雜爆炸分子圖像

圖源：論文

爆炸時(shí)候的分子運(yùn)動(dòng)你見過嗎？歐洲XFEL（世界上最大的X射線激光器）的一個(gè)國(guó)際研究小組應(yīng)用了一種“極端”方法來拍攝復(fù)雜分子的照片。科學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用該設(shè)施產(chǎn)生的超亮X射線閃光，以原子分辨率拍攝了氣相碘吡啶分子的快照。X射線激光使分子爆炸，并從碎片中重建了圖像。

來自歐洲XFEL的研究者表示，由于歐洲XFEL的極強(qiáng)和特別短X射線脈沖，團(tuán)隊(duì)能夠?yàn)檫@種方法和分子的大小制作出前所未有的清晰圖像。這些圖像是向記錄分子電影邁出的重要一步，研究人員希望將來能用它來高分辨率地觀察生化反應(yīng)或物理變化的細(xì)節(jié)。

研究者認(rèn)為，研究所使用的方法對(duì)調(diào)查光化學(xué)過程特別有希望。這種由光引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)過程在實(shí)驗(yàn)室和自然界中都非常重要，例如在研究光合作用和眼睛的視覺過程中非常有用。研究人員希望從中獲得的知識(shí)可以有助于在未來更好地理解此類過程，并為醫(yī)學(xué)、可持續(xù)能源生產(chǎn)和材料研究開發(fā)新的方法。

在名為庫(kù)侖爆炸（Coulomb explosion）成像的方法中，一個(gè)高強(qiáng)度和超短的X射線激光脈沖將大量的電子從分子中擊出。由于剩余的帶正電的原子之間存在強(qiáng)大的靜電排斥力，分子在幾飛秒內(nèi)爆炸——百萬分之一秒。然后各個(gè)電離的碎片飛散開來，這個(gè)過程被一個(gè)探測(cè)器記錄下來。

研究者稱，迄今為止，庫(kù)侖爆炸成像僅限于由不超過五個(gè)原子組成的小分子。但這項(xiàng)研究已經(jīng)打破了這一方法的限制，碘吡啶（C5H4IN）由11個(gè)原子組成。

庫(kù)侖爆炸成像特別適用于跟蹤非常輕的原子，如化學(xué)反應(yīng)中的氫。該技術(shù)能夠?qū)庀嘀械膯蝹€(gè)分子進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，因此是一種制作分子電影的補(bǔ)充方法，與歐洲其他XFEL儀器正在開發(fā)的液體和固體電影并列。

研究者稱，目前正致力于研究分子動(dòng)力學(xué)作為下一步，這樣單個(gè)圖像就可以組合成一個(gè)真正的分子電影，并且已經(jīng)進(jìn)行了這些實(shí)驗(yàn)中的第一個(gè)。

題為X-ray multiphoton-induced Coulomb explosion images complex single molecules的相關(guān)研究論文發(fā)表在《自然-物理學(xué)》上。

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論文原文：

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01507-0

標(biāo)簽： 分子圖像