利用SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的X射線激光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究人員首次拍攝到化學(xué)鍵形成過程中的過渡狀態(tài)：原子形成一種不確定的鍵。反應(yīng)物是一氧化碳分子（左邊，由一個(gè)碳原子（黑）和一個(gè)氧原子（紅）構(gòu)成）和它右邊的一個(gè)氧原子。它們附著在釕催化劑表面，催化劑讓它們彼此靠近，更容易反應(yīng)。發(fā)射一束光學(xué)激光脈沖，反應(yīng)物振動并互相碰撞，碳原子和氧原子形成一個(gè)過渡狀態(tài)的鍵（中間）。生成的二氧化碳分子脫離催化劑表面飄走（右上）。線性相干光源（LCLS）X射線激光能在探測到這些進(jìn)行中的反應(yīng)，并生成動畫視頻。
利用美國能源部斯坦福線性加速器中心（SLAC）國家加速器實(shí)驗(yàn)室的X射線激光，科學(xué)家第一次看到了化學(xué)鍵形成的過渡狀態(tài)：兩個(gè)原子開始形成一個(gè)弱鍵，處在變成一個(gè)分子的過程中。相關(guān)論文發(fā)表在2月12日的《科學(xué)快遞》上。
長期以來，人們一直認(rèn)為這是不可能的。這一基礎(chǔ)性進(jìn)步將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，可以幫助人們理解化學(xué)反應(yīng)是如何發(fā)生的、設(shè)計(jì)釋放能量的反應(yīng)、開發(fā)新產(chǎn)品及如何更有效地給作物授粉。“這是所有化學(xué)最核心的部分，可以看作是一個(gè)圣杯，因?yàn)樗刂浦瘜W(xué)反應(yīng)。”該研究負(fù)責(zé)人、SLAC/斯坦福SUNCAT界面科學(xué)與催化劑中心和瑞典斯德哥爾摩大學(xué)教授安德斯·尼爾森說，“但由于在任何時(shí)刻，處在這種過渡狀態(tài)的分子都如此之少，人們認(rèn)為我們永遠(yuǎn)無法看到它。”
研究小組觀察的反應(yīng)與汽車尾氣中一氧化碳（CO）的催化中和反應(yīng)是一樣的：反應(yīng)在催化劑表面發(fā)生，催化劑能抓住CO和氧原子，讓它們彼此靠近，更容易地結(jié)合形成二氧化碳（CO2）。SLAC的線性相干光源（LCLS）上明亮的X射線激光脈沖足夠短也足夠快，能照亮原子和分子，讓人們看到前所未見的化學(xué)反應(yīng)世界。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員把CO和O附著在一種釕催化劑表面，用光學(xué)激光脈沖驅(qū)動反應(yīng)進(jìn)行。脈沖將催化劑加熱到2000開氏度，使附在上面的化學(xué)物質(zhì)不斷振動，大大增加了它們碰撞結(jié)合在一起的機(jī)會。利用LCLS的X激光脈沖，研究人員能探測到原子的電子排布的變化，即化學(xué)鍵形成的微細(xì)信號，時(shí)間僅有幾飛秒（千萬億分之一秒）。
“首先是氧原子被激活，隨后一氧化碳被激活。”尼爾森說，“它們開始振動，一點(diǎn)點(diǎn)地來回移動，然后，大約在一萬億分之一秒后，它們開始碰撞，形成了這些過渡狀態(tài)。”
他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，許多反應(yīng)物都進(jìn)入了過渡態(tài)，但只有一小部分形成了穩(wěn)定的二氧化碳，其余的又分開了。尼爾森說：“就好像你在山坡上向上彈球，大部分球上到山頂又滾下來。我們看到許多球在不斷努力，但只有很少反應(yīng)能持續(xù)到最終產(chǎn)物。要詳細(xì)理解在這里所看到的，我們還要做更多研究。”
瑞典斯德哥爾摩大學(xué)亨利克·奧斯托姆教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組做了如何用光學(xué)激光引發(fā)反應(yīng)的最初研究工作，在斯德哥爾摩教授拉斯·皮特森的領(lǐng)導(dǎo)下計(jì)算了理論光譜。在實(shí)驗(yàn)中，理論起著關(guān)鍵作用，預(yù)測著將會看到的情況。
“這是極為重要的，讓我們能深入理解法則的科學(xué)基礎(chǔ)，而這些法則能幫我們設(shè)計(jì)新的催化劑。”SUNCAT主管、論文合著者詹斯·諾斯科夫說。
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