X射线捕获的离子液态水中超快的质子转移反应，该反应形成了羟基自由基和水合氢离子。
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，但一般的超快方法基本上无法观测到这个过程。近日，美国能源部阿贡国家实验室领导的国际团队利用超快X射线自由电子激光脉冲捕获了液态水电离后的超快质子转移过程。 相关论文1月10日发表在《科学》杂志上。
“我们在离子液态水中见证了形成羟基自由基的最快的化学反应。”论文通讯作者、阿贡国家实验室的研究员Linda Young说，“羟基自由基相当重要，它可以扩散到有机体中，破坏DNA和RNA等大分子。”通过了解羟基自由基形成的时间尺度，人们可以更深入地理解液态水的辐射分解，并最终制定策略抑制这一可能导致辐射损害的关键步骤。
当能量充足的辐射击中水分子时，会引发一系列瞬时反应。首先，辐射会射出一个电子，留下一个带正电的水分子(H2O+)（2为下标，+为上标）。H2O+（2为下标，+为上标）的生命极其短暂，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，生成水合氢离子和羟基自由基。虽然科学家们早在20世纪60年代就发现了这种反应，但直到最近，通过由直线加速器相干光源(LCLS)提供的超快X射线探测器，研究人员才观察到了剩余的正电荷离子。
SLAC国家加速器实验室的仪器科学家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”技术让研究人员有机首次观察到羟基自由基的时间演化。
根据Young的说法，虽然研究人员也希望能够分离出H2O+（2为下标，+为上标）的光谱特征，但它的寿命太短，只能从OH光谱中推断出它的存在。超快的质子转移产生了羟基自由基，从而产生一种特殊的光谱特征，证明羟基自由基的产生，这正是H2O+（2为下标，+为上标）最开始生成的“时间戳”。Young认为，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”中，那里的液态水不吸收光。
德国DESY自由电子激光科学中心的Robin Santra领导了理论研究，他说：通过超快X射线吸收，我们可以探测到电离和质子转移位点附近的结构动力学，包括电子和原子核的运动。在仅仅50万亿分之一秒的时间里，周围的水分子就会迅速移向离子化的H2O+（2为下标，+为上标），当距离足够近时，水分子会抓住H2O+（2为下标，+为上标）的一个质子，变成水合氢离子，并产生羟基自由基。”
Young说：“这项研究的主要成果是建立了一种观察水中质子转移反应的方法，并开发了一种清洁的羟基自由基探针。现在我们不仅测量到了质子转移的时间范围，还在极短时间尺度上跟踪了复杂系统中的羟基自由基。”
虽然研究最快的化学反应本身就很有趣，但了解羟基自由基的形成还有其他实际意义，如核废料处理、环境修复等。
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编译：花花 审稿：西莫 责编：雷鑫宇
期刊来源： 《科学》 期刊编号： 0036-8075
原文链接： https://phys.org/news/2020-01-scientists-ultrafast-birth-radicals.html
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