激光灯光、电子照相机的反应；来自内布拉斯加-林肯大学、斯坦福大学和欧洲的一组物理学家已经捕捉到了光化学反应最清晰的一瞥：光化学反应的类型，这是光合作用、视觉和臭氧层的分子转换。研究人员精确地记录了被激光击中时，五个原子核分子的原子和化学键的反应，研究发表在《科学》上，这标志着他们多年来为提高“分子级影像”的质量所做努力达到了顶点。内布拉斯加州物理学和天文学副教授马丁百夫长(Martin Centurion)说：人们对这些模型进行了很长时间的建模，但没有很好的方法来检验这些模型是否正确。
新研究捕捉到了这种由5个原子组成的分子：三个氟原子(绿色)、一个碳原子(黑色)和一个碘原子(紫色)——的动力学特征。通过用激光撞击分子并记录电子脉冲从分子上反弹的方式，研究人员成功地跟踪了其原子的运动以及碘是如何脱离与碳键的。图片：Stanford University / SLAC National Accelerator Laboratory
现在有一种方法可以比较实验中发生的事情和模型预测的事情。这很重要的原因是有很多不同分子，可以用不同的波长(光)来激发它们。不可能对所有东西都做实验，所以在某种程度上，需要某种可靠的模型。尽管改进这些模型需要数年的工作和许多研究，但这项科学研究已经为利用实验数据更好地理解原子尺度上的光化学反应建立了一个新的基准。这种理解最终可能会产生重要的应用，无论是能储存能量的太阳能电池，还是能更好地催化可再生燃料的反应的自定义分子。
核家族
形成分子的键合原子受到光子(光的基本成分)的撞击时，会得到能量的提升。这种能量可以产生很多影响：使原子暂时运动；将它们重新排列成新结构；甚至折断它们的键形成其他更小的分子。自2012年以来在斯坦福SLAC国家加速器实验室的同事们一直致力于捕捉这些原子动力学，方法是用激光和电子脉冲以接近光速的速度撞击气悬分子。这些电子在与激光激发分子碰撞后形成模式提供了关于它们原子位置的信息。通过不断地记录这些位置，然后把它们拼接在一起，就像电影里的画面一样，研究小组先前成功地跟踪了简单分子的动力学：二硫化碳、氮、碘。这一次，研究人员记录下了一种更复杂的分子（三氟甲基碘）有三个氟原子，一个碳原子和一个碘。
在这样做的过程中，他们捕捉到了分子的碘原子与碳原子的键断裂：一种光化学反应。研究小组还发现，这种分子可以吸收一两个光子。和所有的分子一样，三氟甲基碘离子在气体中漂浮时会随机旋转。发现与接近光的电场平行的分子，不可能产生两个光子，但它们吸收一个光子的可能性最大。反之亦然：与电场垂直的分子不能只接收一个光子，但很有可能吸收两个光子。研究发现，这两种现象都能破坏分子的碳-碘键，但方法不同。单光子反应要简单得多，当分子吸收一个光子时，绕着碘原子核旋转的电子迅速跳到一个更高的能量状态，导致碘从邻近的碳原子中弹起，并将它们的键拉到断裂点。
图说明三氟甲烷分子(球和棒)的激光驱动反应，激光闪光将分子从低能量的基态提升到高能量的激发态(左图)。分子的状态被显示为能量景观，在那里分子可以沿着反应路径(箭头)。在两个激发态相交的点(锥形交点)，反应可以有两条路径:分子可以分裂(解离)，也可以保持完整并振动(振动)。图片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
新释放的碘原子的巨大质量意味着它仍然紧密而强烈地排斥较轻的碳原子。轻的碳原子与周围的三个氟原子结合在一起，但在最终停止之前开始来回弹射。相比之下，双光子反应的复杂性使得研究小组绘制出了分支、滑道和梯形图，详细描述了分子的新能量分布如何影响其原子的运动和碳-碘键的弹起作用。所有这些因素以及其他因素决定了光化学反应的总体可能性和时间尺度。但是牛顿物理学的精确性被量子力学在原子尺度上的概率定律所取代，在原子尺度上，一个原子核或它的轨道电子的位置和动量可以有几个可能的值，每一个都有可能在给定的时刻被观察到。
一个变量的实际结果会影响另一个变量的概率，它可以修改另一个变量的概率，以此类推，从而产生到几个端点的许多可能路径。其中的一些路径会导致碘原子立即释放，另一些则在与碳的邻居分离之前，它会反复地来回摆动一个或多次。尽管如此复杂，研究小组还是设法确定了分子的不同值——包括环绕每一个原子核的电子的能量状态和原子的相对位置——是到达光化学反应的最直接路径。这是能源领域的一个独特之处，因为它……是什么驱使分子从一种状态转变为另一种状态，它可以非常快速和有效地推动这些转变，有时有一个分子，然后把能量放进去，理论上这个能量可以有很多种分布方式。这有助于解释为什么当向分子中注入光时，分子从A到B，而不是从C或D或其他所有可能的路径。
反应或不反应
SLAC实验室的技术改进使研究小组能够逐渐缩短向分子发射的电子脉冲的持续时间，从而能够捕获更多的分子运动帧。该研究小组先前发射的脉冲持续时间为200飞秒，而最近将其减少到大约150飞秒——与一秒相比，一秒的脉冲持续时间约为211000年。研究小组将很快利用改进后的装置来检测DNA基(遗传密码的基本组成部分)对紫外线的反应。DNA以某种方式将大部分紫外线的能量转化为热能，而不是将其转化为光化学反应，从而破坏了它。了解更多关于如何使设计分子具有类似的对不需要的反应的抵抗力，反过来也会有用。
三氟甲烷分子(黑色的碳，绿色的氟，洋红色的碘)对激光的反应。闪电将碳原子和碘原子之间的键连接到一个点上，在这个点上，键可以断裂(在右边)或者保持完整(在左边)。由于分子是量子系统，它们实际上同时存在于两个状态中。图片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
?如果想制造太阳能电池，需要一种可以将所有能量转化为某种化学反应的分子。在理想情况下，会有一些非常有效地吸收能量，然后储存起来。现在一个太阳能电池板不能在晚上帮助你。但是假设有(一种材料)，它吸收了大部分的能量，然后把它储存在那里，也许是在另一种化学结构中。然后给它一个小触发器，它会慢慢释放能量。存储越来越成为一个问题，因为没有人想在他们的地下室里有一个巨大的电池。通过记录日益复杂的分子的光化学反应所得到的经验，也可能有助于工程师更好的催化分子，这些分子本身可以触发和加速反应，例如将水分解为氧和氢。
同样的分子甚至可以催化不同的反应，这取决于撞击它的光的波长。当它们是完整的，它们是无反应的，然后当它们分裂时，它们就会引发一些化学反应，开始研究气相中的一些分子，这个想法只是为了理解碎片化过程。如果你用这个频率撞击它，会制造什么碎片？如果你用另一个频率敲打它，你还会做什么？他们出来的速度有多快？目前全国的研究团队都在签约使用SLAC实验室的电子相机，并制作自己的分子电影，每一个都可以揭示不同光化学反应背后的故事。这很好，因为不同的人有不同的兴趣，最好的办法是打开它，让其他人可以使用它，而不是我们试图想出所有有趣的例子。
博科园-科学科普｜参考期刊文献：Science｜研究/来自：内布拉斯加大学林肯分校
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