來源： 作者： 發布時間：2020-05-03

 許多光驅動化學反應的第一步，就像那些促進光合作用和人類視覺的化學反應一樣，是分子吸收光能量時電子排列的改變。這種微妙的重新安排為接下來的一切鋪平了道路，并決定了反應的進行方式�，F在，科學家們第一次直接看到了這第一步，觀察到了分子中的任何原子核在反應之前，分子的電子云是如何膨脹出來的。

雖然這種反應在理論上已經被預測并間接地被檢測到，但這是第一次在被稱為分子電影制作的過程中用X射線直接成像，其最終目的是觀察當化學鍵形成或斷裂時電子和原子核是如何實時起作用的。在過去的分子電影中，我們能夠看到原子核在化學反應中是如何運動的，但化學鍵本身是電子再分配的結果，是看不見的�，F在，我們可以看到化學鍵在反應過程中的變化。

一種重要的生物反應模型

這是由1，3-環己二烯（CHD）主演的一系列分子電影中的最新一部，CHD是一種從松油中提取的環狀分子。在低壓氣體中，它的分子自由漂浮，易于研究，是一種重要的生物反應模型，就像陽光照射皮膚時產生維生素D一樣。

在近20年的研究中，科學家們研究了當光首先通過電子衍射技術照射到CHD環上時，CHD環是如何分裂的，最近又研究了SLAC的“電子照相機”、MeV-UED和X射線自由電子激光（Linac相干光源）是如何分裂的。世界各地的這些和其他研究都揭示了這種反應是如何在越來越精細的細節中進行的。

四年前，來自布朗、斯拉克和愛丁堡的研究人員用液晶顯示器制作了一部CHD環分離的分子電影，這是有史以來第一部用X射線記錄的分子電影。這項成就被列為美國能源部國家實驗室即將取得的75項最重要的科學突破之一，同時還有諸如DNA解碼和中微子探測等發現。

但是之前的實驗中沒有一個能夠觀察到最初的電子洗牌步驟，因為除了分子的原子核的更大運動之外，科研人員沒有辦法梳理它。

聚光燈下的電子

在這項研究中，實驗小組采取了一種稍微不同的方法：他們用一種波長的激光照射CHD氣體樣本，激發分子進入一種相對長時間存在的狀態——200飛秒，或十億分之一秒的百萬分之一秒，這樣就可以用LCLS X射線激光脈沖探測它們的電子結構。

這項被稱為非共振X射線散射的技術測量了樣品中電子的排列，研究小組希望在分子吸收光時捕捉到電子分布的變化。他們的測量結果證實了這一預期：雖然來自電子的信號很弱，但研究人員能夠毫不含糊地捕捉到電子云是如何變形成和一個激發電子態相對應的一個更大、更彌散的云。

在原子核開始運動之前觀察這些電子變化是至關重要的。在化學反應中，原子核會移動，很難將這種信號從屬于化學鍵形成或斷裂的其他部分中分離出來。而在這項研究中，原子核在這個時間尺度上的位置變化相對較小，因此能夠看到分子吸收光后電子的運動。

科學家們正在對這些電子的運動和移動進行成像，這為直接實時觀察電子在鍵斷裂和鍵形成過程中的運動鋪平了道路。