科學(xué)家首次觀察到化學(xué)鍵形成過程 開辟研究新領(lǐng)域

 據(jù)報道，繼2013年科學(xué)家通過原子力顯微鏡看到共價鍵的結(jié)構(gòu)之后，如今再次直接觀察到化學(xué)鍵的形成過程，打破了以往無法觀測過渡態(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）國家加速實驗室的科學(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)鍵的過渡狀態(tài)。由于化學(xué)反應(yīng)中的過渡態(tài)化合物的存在時間非常短，直接通過實驗方法觀測它們在之前很長一段時間內(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)域帶來了重要的突破。

SLAC實驗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’，因為它控制著一切化學(xué)反應(yīng)。在化學(xué)反應(yīng)過程中的任何一個時刻，處于這種過渡狀態(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不可能。這項實驗使用了SLAC的直線加速器相干光源（LCLS），這種波長夠長，頻率也夠高的射線脈沖可以捕捉運動中的原子和分子并成像。

研究人員使用LCLS研究了一個發(fā)生在固體催化劑表面的反應(yīng)，類似的反應(yīng)也發(fā)生在汽車的尾氣凈化器當(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，使它們更容易配對生成二氧化碳分子。

在SLAC的試驗中，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，并通過一束激光脈沖引發(fā)其反應(yīng)。研究小組通過LCLS的X射線脈沖得以觀察到此反應(yīng)的過程，弄清楚了這些原子周圍電子的重新排列情況——這一不易察覺到的微妙過程發(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”，尼爾森說到，“它們開始振動，在約一萬億分之一秒后，它們開始相互碰撞并轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡態(tài)化合物。”

研究人員們驚訝于能觀察到相當(dāng)多的進入過渡狀態(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。剩下的大部分都沒能完成反應(yīng)，而是再次分開成為反應(yīng)物。