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科學(xué)家首次追蹤到飛秒級超速的結(jié)構(gòu)性變化  圖片說明：在一個(gè)環(huán)形分子被光打破的飛秒級瞬間，分子形狀會發(fā)生改變。使用斯坦福直線加速器中心的x射線激光測量分子運(yùn)動；彩色圖顯示了一個(gè)理論模型的分子變化,其結(jié)果與實(shí)際同步；背景中的方塊代表板中的一個(gè)拼箱x射線探測器。 美國能源部國家斯坦福直線性加速器中心（StanfordLinearAcceleratorCenter，SLAC）實(shí)驗(yàn)室的研究人員編譯出這個(gè)基本的開環(huán)反應(yīng)到計(jì)算機(jī)動畫序列的完整步驟，該動畫提供一個(gè)結(jié)構(gòu)性變化的“分子電影”。 這個(gè)先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)在斯坦福直線加速器中心的直線性連續(xù)加速器光源研究所（美國能源部用戶設(shè)備科學(xué)辦公室）完成，對于精確跟蹤氣體分子在化學(xué)反應(yīng)中飛秒級的變化，樹立了重要的里程碑。 斯坦福直線加速器中心的科學(xué)家MikeMinitti，曾與布朗大學(xué)的PeterWebe合作過，他說道：“這顯示了直線性連續(xù)加速器光源(LinacCoherentLightSource)的一項(xiàng)特性:一種從未見過的化學(xué)反應(yīng)方式就會在你眼前出現(xiàn)。”Minitti表示：“直線性連續(xù)加速器光源就像是一個(gè)游戲規(guī)則的改變者，它使我們在飛秒級的速度上觀察化學(xué)變化，甚至能觀察到單個(gè)原子的運(yùn)動。”這種方法還適用于更復(fù)雜的分子和化學(xué)變化。 利用斯坦福直線加速器中心的X射線研究氣體中自由懸浮的分子，可以看到化學(xué)變化中的清晰結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)闅怏w分子幾乎不與氣體分子或結(jié)構(gòu)連接。他還補(bǔ)充道：“直到現(xiàn)在，利用X射線研究快速的氣體分子變化仍然受到限制。” 化學(xué)運(yùn)動的新審視 該研究針對由1,3-環(huán)己二烯（1,3-cyclohexadiene，CHD）組成的氣體分子，它是一個(gè)來自松樹油的小型環(huán)形有機(jī)分子。環(huán)形分子在許多生物和化學(xué)過程中扮演關(guān)鍵角色，這些反應(yīng)過程實(shí)質(zhì)在于化學(xué)鍵的形成和破壞。該實(shí)驗(yàn)主要追蹤環(huán)形分子在兩原子間的化學(xué)鍵破壞后如何分解變成近線性分子的過程。 Minitti表示：“對于分子的展開過程，長久以來一直存在爭議。原子可以采取不同的路徑和方向。跟蹤這一點(diǎn)最終顯示化學(xué)反應(yīng)的過程,而且可能會促使理論和模型的改進(jìn)。” 分子電影的制作 在實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用超快的紫外激光脈沖啟動開環(huán)反應(yīng)，以此激發(fā)環(huán)己二烯。 然后，他們又利用斯坦福直線加速器中心的X射線在不同的時(shí)間間隔內(nèi)測量分子的形狀變化過程。 研究人員序?qū)?0萬多個(gè)類似頻閃燈散射x射線的測量進(jìn)行了編制和排列。然后,他們與這些測量結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬匹配，結(jié)果揭示了在分子結(jié)構(gòu)打開后的最初200分秒內(nèi)最可能的分解方式。該仿真由愛丁堡大學(xué)（UniversityofEdinburgh）研究人員AdamKirrander完成，結(jié)果展示了原子的位置和運(yùn)動變化過程。 動畫的每個(gè)區(qū)間時(shí)長為25飛秒，大約是電視30幀每秒速度的1.3萬億倍。 Weber表示：“這樣的分辨率對于觀察分子運(yùn)動是一個(gè)巨大的進(jìn)步。” 氣體樣本對于這個(gè)研究來說是理想樣本，這是因?yàn)椋我鈨上噜彮h(huán)己二烯分子間的間隔被減少，使得更容易區(qū)分和追蹤單個(gè)分子運(yùn)動。斯坦福直線加速器中心的x射線脈沖就像臺球游戲中的母球，使分子中的電子散射至位敏探測器，它可以規(guī)劃分子中原子的位置。 應(yīng)用與更復(fù)雜研究的成功測試用例 |
