学家首次实验观测到化学键的产生过程

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凤凰科技讯 北京时间2月28日消息，据科学日报报道，美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家们利用X射线激光首次一瞥两个原子在变成分子的过程中，刚形成微弱的化学键时的过渡状态。这项一直被认为是不可能的基础发现被发表在2月12日的期刊《科学快报》上，它将对理解化学反应是如何发生以及设计产生能量的新化学反应、创造新产品和更高效的为农作物施肥产生意义深远的影响。


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科学家首次实验观测到化学键的产生过程

“这是所有化学的核心，是我们认为的圣杯，因为它控制了所有化学反应，”带领这项研究的SLAC/斯坦福SUNCAT界面科学与催化中心教授、现位于瑞典斯德哥尔摩大学的安德斯.尼尔森（Anders Nilsson）这样说道。“但是在任何一个特定时刻，处于这一过渡阶段的分子是少之又少，因此没有人预料我们能观察到这一现象。”

明亮快速的激光脉冲实现了不可能
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6 ~* Z5 h5 i+ B& P* W这一实验是在SLAC国家加速器实验室的直线加速器连贯光源(Linac Coherent Light Source，简称LCLS)里进行的。它发出的明亮、类似频闪观测器的X射线激光脉冲足够短可以照亮原子和分子，但又足够快能够以从未想过的方式观测到这一化学反应的进行。

) I! l5 ~' A) k- E0 X5 h$ ^研究人员使用LCLS研究了在催化转化器里中和汽车尾气的一氧化碳。这一反应发生在催化剂表面，后者会吸附一氧化碳和氧原子并使得它们更轻易的配对形成二氧化碳。
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  ?: i8 ^- u' [% o, T0 t在SLAC实验里，研究人员将一氧化碳和氧原子放在钌催化剂表面并利用激光器发出的脉冲促使两者发生反应。激光脉冲将催化剂加热至2000开尔文（1726.85 摄氏度），导致依附的化学物质振动，从而极大的增加了它们相撞并结合的概率。

研究小组利用LCLS的X射线激光脉冲观察了这个过程，这一设备检测了发生在飞秒或者千万亿分之一秒的时间内原子里电子分布的变化——这是化学键形成的微妙迹象。“首先，氧原子激活，之后一氧化碳也被激活，” 尼尔森说道。“它们开始振动，到处移动。然后，大概在万亿分之一秒内它们开始碰撞并形成这些过渡阶段。”
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# w' a& Z- [  H% X, r“推弹珠上山”

1 Q& a" e+ M; P8 {+ y% w$ {5 D研究人员很惊讶的发现这么多反应物进入过渡状态，并更惊讶的发现只有一小部分最终形成了稳定的二氧化碳，剩余的再次分解了。“这就像推弹珠上山，大多数到达山顶的弹珠最终又会滚下山。” 尼尔森说道。“我们所见证的是很多次尝试，但只有非常少的化学反应会产生最终结果。细节理解我们所观测到的结果还需要更多努力。”
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' v1 w- E0 P& E4 W理论在这项实验里起着关键作用，它使得研究小组可以预测可能的结果以及应该寻找的方向。“这是理论化学家超级有趣的渠道，它将开启全新的领域。”研究合作作者、SLAC和SUNCAT的弗兰克·阿比尔德-佩德森（Frank Abild-Pedersen）这样说道。
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5 ?( W; w! v4 q- ]; E由斯德哥尔摩大学的助理教授亨瑞克·奥斯特罗姆（Henrik Öström）带领的科研小组对如何利用激光器引发化学反应进行了初步研究。斯德哥尔摩大学的拉尔斯·皮特森（Lars G.M. Pettersson）教授带领进行了理论光谱的计算，皮特森教授与尼尔森教授一直保持长期密切的合作。

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在SLAC斯坦福同步辐射光源(Stanford Synchrotron Radiation Lightsource。简称SSRL)进行的初步试验也被证明是至关重要的。由SSRL的裕仁小笠原（Hirohito Ogasawara）和SUNCAT的杰瑞·拉吕（Jerry LaRue）带领的实验小组利用密集的X射线束测量了化学反应物的特征，这使得研究人员可以正确的确定LCLS里的一切事物，LCLS里的光束时间更加稀缺。“没有SSRL这一切都不可能，”尼尔森说道。
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8 {# s* x3 Z" x9 @3 ^) C& r. U& e研究小组已经开始测量其它能够产生工业里重要化学物质的催化反应里的过渡状态。“这极其重要，因为它提供了我们设计新催化剂原则的科学基础的新见解。”SUNCAT的主任、研究合作作者延斯·内斯科乌（Jens Nørskov）这样说道。（编译/严炎刘星）


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