利用SLAC國家加速器實驗室的X射線激光進行實驗，研究人員首次拍攝到化學鍵形成過程中的過渡狀態(tài)：原子形成一種不確定的鍵。反應物是一氧化碳分子（左邊，由一個碳原子（黑）和一個氧原子（紅）構成）和它右邊的一個氧原子。它們附著在釕催化劑表面，催化劑讓它們彼此靠近，更容易反應。發(fā)射一束光學激光脈沖，反應物振動并互相碰撞，碳原子和氧原子形成一個過渡狀態(tài)的鍵（中間）。生成的二氧化碳分子脫離催化劑表面飄走（右上）。線性相干光源（LCLS）X射線激光能在探測到這些進行中的反應，并生成動畫視頻。
利用美國能源部斯坦福線性加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室的X射線激光，科學家第一次看到了化學鍵形成的過渡狀態(tài)：兩個原子開始形成一個弱鍵，處在變成一個分子的過程中。相關論文發(fā)表在2月12日的《科學快遞》上。
長期以來，人們一直認為這是不可能的。這一基礎性進步將產生深遠影響，可以幫助人們理解化學反應是如何發(fā)生的、設計釋放能量的反應、開發(fā)新產品及如何更有效地給作物授粉。“這是所有化學最核心的部分，可以看作是一個圣杯，因為它控制著化學反應。”該研究負責人、SLAC/斯坦福SUNCAT界面科學與催化劑中心和瑞典斯德哥爾摩大學教授安德斯·尼爾森說，“但由于在任何時刻，處在這種過渡狀態(tài)的分子都如此之少，人們認為我們永遠無法看到它。”
研究小組觀察的反應與汽車尾氣中一氧化碳（CO）的催化中和反應是一樣的：反應在催化劑表面發(fā)生，催化劑能抓住CO和氧原子，讓它們彼此靠近，更容易地結合形成二氧化碳（CO2）。SLAC的線性相干光源（LCLS）上明亮的X射線激光脈沖足夠短也足夠快，能照亮原子和分子，讓人們看到前所未見的化學反應世界。
在實驗中，研究人員把CO和O附著在一種釕催化劑表面，用光學激光脈沖驅動反應進行。脈沖將催化劑加熱到2000開氏度，使附在上面的化學物質不斷振動，大大增加了它們碰撞結合在一起的機會。利用LCLS的X激光脈沖，研究人員能探測到原子的電子排布的變化，即化學鍵形成的微細信號，時間僅有幾飛秒（千萬億分之一秒）。
“首先是氧原子被激活，隨后一氧化碳被激活。”尼爾森說，“它們開始振動，一點點地來回移動，然后，大約在一萬億分之一秒后，它們開始碰撞，形成了這些過渡狀態(tài)。”
他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，許多反應物都進入了過渡態(tài)，但只有一小部分形成了穩(wěn)定的二氧化碳，其余的又分開了。尼爾森說：“就好像你在山坡上向上彈球，大部分球上到山頂又滾下來。我們看到許多球在不斷努力，但只有很少反應能持續(xù)到最終產物。要詳細理解在這里所看到的，我們還要做更多研究。”
瑞典斯德哥爾摩大學亨利克·奧斯托姆教授領導的研究小組做了如何用光學激光引發(fā)反應的最初研究工作，在斯德哥爾摩教授拉斯·皮特森的領導下計算了理論光譜。在實驗中，理論起著關鍵作用，預測著將會看到的情況。
“這是極為重要的，讓我們能深入理解法則的科學基礎，而這些法則能幫我們設計新的催化劑。”SUNCAT主管、論文合著者詹斯·諾斯科夫說。
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