在光激发分子中捕捉电子与原子核之间的协调舞蹈

时间:2020-06-03 22:48 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

在光激发分子中捕捉电子与原子核之间的协调舞蹈 利用美国能源部SLAC国家加速器实验室的高速“电子摄像机”,科学家们同时捕捉到了分子在受到光激发后的电子和原子核运动。这标志着超快电子衍射技术的首次应用。超快电子衍射技术将一束强大的电子从材料中散射出去,从而捕捉到微小的分子运动。 参与该实验的斯坦福大学化学教授、斯坦福脉冲研究所研究员托德·马丁内斯(Todd Martinez)说:“在这项研究中,我们发现,通过超快电子衍射,我们可以在自然分离两种成分的同时,跟踪电子和核的变化。”“这是我们第一次能够同时直接看到原子的详细位置和电子信息。” 这项技术可以让研究人员在测量量子化学模拟的核心电子行为时,更准确地了解分子的行为,为未来的理论和计算方法提供新的基础。研究小组今天在《科学》杂志上发表了他们的发现。 骨架和胶水 在之前的研究中,SLAC的超快电子衍射仪器,MeV-UED,让研究人员能够制作出高清晰度的分子“电影”,这些分子位于十字路口,当环状分子对光做出反应时,会发生结构变化。但直到现在,该仪器对分子的电子变化并不敏感。 “在过去,我们能够跟踪原子运动的发生,”斯坦福大学加速器理事会和斯坦福脉冲研究所的科学家、该研究的第一作者杨洁说。但如果你仔细观察,你会发现组成原子的原子核和电子也有特定的作用。原子核构成了分子的骨架,而电子则是把骨架粘合在一起的粘合剂。” 冷冻超速的运动 在这些实验中,由SLAC和斯坦福大学的研究人员领导的一个团队正在研究吡啶,它属于一类环状分子,是光驱动过程的核心,如紫外线诱导的DNA损伤和修复、光合作用和太阳能转换。因为分子吸收光几乎是瞬间的,所以这些反应非常快,而且很难研究。像MeV-UED这样的超高速摄像机可以“冻结”飞秒(十亿分之一秒的百万分之一)内发生的运动,让研究人员能够跟踪发生的变化。 首先,研究人员将激光照射进一种由吡啶分子组成的气体中。接下来,他们用高能电子的短脉冲轰击被激发的分子,生成它们快速重新排列的电子和原子核的快照,这些电子和原子核可以串在一起,形成光在样品中引起的结构变化的定格动画。 在光激发分子中捕捉电子与原子核之间的协调舞蹈 一个干净的分离 研究小组发现,当电子在没有吸收能量的情况下与吡啶分子发生衍射时产生的弹性散射信号编码了分子的核行为信息,而当电子与分子交换能量时产生的非弹性散射信号包含了电子变化的信息。来自这两种散射的电子以不同的角度出现,使研究人员能够清晰地分离这两种信号,并直接观察分子的电子和原子核同时在做什么。 “这两个观察结果几乎与模拟结果完全一致,模拟结果旨在考虑所有可能的反应通道,”研究报告的合著者朱小磊(音译)说。“这让我们对电子和核变化之间的相互作用有了非常清晰的认识。” 互补技术 科学家们认为这个方法将补充结构信息收集的范围通过x射线衍射和其他技术在仪器如线性的直线加速器(拼箱)x射线激光相干光源,能够测量精确的细节化学动力学在最短的时间尺度,作为另一个光致化学反应最近报道。 “我们看到,MeV-UED正越来越成为一种补充其他技术的工具,”研究报告的合著者、SLAC科学家托马斯·沃尔夫(Thomas Wolf)说。“我们可以在同一组数据中得到电子结构和核结构的数据,同时进行测量和单独观察,这一事实将提供新的机会,将我们所学到的知识与其他实验结合起来。” "一种看待事物的新方法" 在未来,这项技术可以让科学家们跟踪超快光化学过程,其中电子和核变化的时间对反应的结果至关重要。 “这确实开辟了一种用超快电子衍射观察事物的新方法,”该研究报告的合著者、MeV-UED仪器的负责人王希杰(音译)说。“我们一直试图找出电子和原子核是如何相互作用使这些过程如此快速的。这一技术使我们能够区分电子的变化和原子核的变化。一旦你完全了解了这些变化的过程,你就可以开始预测和控制光化学反应了。”
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