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科學(xué)家首次看到化學(xué)鍵形成過程有助理解化學(xué)反應(yīng)發(fā)生

發(fā)布時(shí)間:2016-11-23 10:48:26

 

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?!斑@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)?!痹撗芯控?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?!?/span>

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?!蹦釥柹f,“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?!?/span>

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?!盨UNCAT主管、論文合著者詹斯·諾斯科夫說。