科学家观察到自由基的超高速生成

时间:2020-01-12 18:22 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

科学家观察到自由基的超高速生成

由Argonne领导的一个国际团队已经可视化了水电离后难以捉摸的超快质子转移过程。

了解电离辐射是如何与水相互作用的——就像在水冷核反应堆和其他含水系统中一样——需要瞥见一些迄今为止观察到的最快的化学反应。

在一项新研究中领导的全球合作的科学家在美国能源部(DOE)阿贡国家实验室,南洋理工大学,新加坡(南大新加坡)、德国研究中心谜底和SLAC国家加速器实验室进行的,研究人员首次目睹了电离后的超快的质子转移反应的液态水。

质子转移反应是一个具有重要意义的过程,在核工程、空间旅行和环境修复等领域都有广泛的应用。超快x射线自由电子激光脉冲的可用性使观测成为可能,而其他超快方法基本上无法观测到。虽然研究最快的化学反应本身就很有趣,但这种对水的观察也有重要的实际意义。

“真正令人兴奋的是,我们已经见证了离子水中最快的化学反应,这导致了羟基自由基的诞生,”该研究的资深通讯作者、阿贡杰出研究员琳达·杨(Linda Young)说。“羟基自由基本身是相当重要的,因为它可以扩散到一个有机体,包括我们的身体,并破坏几乎任何大分子,包括DNA、RNA和蛋白质。”

通过了解具有化学腐蚀性的羟基自由基形成的时间尺度,从而对水的辐射分解有更深入的机械性理解,最终有可能开发出抑制这一可能导致辐射损伤的关键步骤的策略。

当具有足够能量的辐射击中水分子时,它会引发一系列几乎是瞬间的反应。首先,辐射射出一个电子,留下一个带正电的水分子(H2O )。H2O 的生命极其短暂——如此短暂,事实上,几乎不可能在实验中直接观察到。在万亿分之一秒的时间内,H2O 将一个质子交给另一个水分子,生成水合氢离子(H3O )和羟基(OH)自由基。

科学家们早在20世纪60年代就发现了这种反应,当时阿贡的科学家们第一次探测到通过辐射分解从水中喷出的电子。然而,如果没有像美国能源部科学用户设施SLAC办公室的Linac相干光源(LCLS)提供的那种足够快的x射线探测器,研究人员就无法观察到剩余的正电荷离子,即反应对的另一半。

“成为这个高度合作的世界级团队的一员,就像观看水分子在电离后的慢动作中跳舞一样令人兴奋,”SLAC仪器科学家比尔·施洛特(Bill Schlotter)说。捕捉水的关键是LCLS的超短x射线脉冲。通过调整这些x射线脉冲的‘颜色’,我们可以区分参与其中的特定离子和分子。”

LCLS提供的“定格”技术使研究人员首次有机会观察羟基自由基的时间演化。根据Young的说法,研究人员也希望分离出H2O 自由基阳离子的光谱特征,但它的寿命太短,只能从OH光谱测量中推断出它的存在。

超快的质子转移产生了氢氧自由基,产生了一种特殊的光谱特征,表明氢氧自由基的产生,是H2O 初始生成的“时间戳”。根据杨的说法,这两种物质的光谱是可以得到的,因为它们存在于一个“水窗口”,在那里液态水不吸收光。

杨说:“这项研究的主要成果是开发了一种观察水中基本质子转移反应的方法,以及一种检测羟基自由基的干净探针。”“没有人知道质子转移的时间范围,所以现在我们已经测量了。没有人有办法在超快的时间尺度上跟踪复杂系统中的羟基自由基,现在我们也有办法做到这一点。”

了解羟基自由基的形成在含有盐或其他矿物的水环境中特别有意义,而盐或其他矿物又可能与离子水或其副产品发生反应。这种环境可以包括核废料库或其他需要环境补救的地方。

科学家观察到自由基的超高速生成

实验背后理论的发展是由德国DESY自由电子激光科学中心的Robin Santra领导的。桑特拉证明,通过超快x射线吸收,科学家可以探测到电离和质子转移位点附近的结构动力学,包括电子和核的运动。

“我们可以表明,x射线数据实际上包含信息的动态水分子,使质子转移,“Santra说,他是首席科学家谜底和超高速成像中心首席研究员在汉堡,汉堡大学卓越集群和谜底。“在仅仅50万亿分之一秒的时间里,周围的水分子就会移向离子化的H2O ,直到其中一个离得足够近,像握手一样抓住它的一个质子,变成水合氢离子H3O ,并留下羟基自由基OH。”

这项工作的动机是来自新加坡南洋理工大学的卢志恒的早期研究,他是本文的第一作者和共同通讯作者。

“自从九年前加入南大以来,我和我的团队成员一直在用飞秒激光脉冲研究分子在气相和水介质中电离的超快动力学。我们早期对离子化液态水的研究提供了H2O 自由基阳离子生命周期的一瞥,尽管是通过近红外的间接探测,”Loh说。“我们意识到,要做一个观察H2O 自由基阳离子的最终实验,需要软x射线探测,然而,这超出了大多数桌面飞秒光源的能力。”因此,当琳达在2016年的一次会议上听到我关于离子水的演讲后找到我,想要在LCLS x射线自由电子激光器上合作进行一项实验时,我非常激动。”

一篇基于这项研究的论文,“观察水中辐射分解的最快化学过程”,将发表在1月10日的《科学》杂志网络版上。

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