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

利用美國(guó)能源部斯坦福線性加速器中心（SLAC）國(guó)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(zhǎng)期以來(lái)，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(shuō)，“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(wú)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(dòng)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(dòng)，大大增加了它們碰撞結(jié)合在一起的機(jī)會(huì)。利用LCLS的X激光脈沖，研究人員能探測(cè)到原子的電子排布的變化，即化學(xué)鍵形成的微細(xì)信號(hào)，時(shí)間僅有幾飛秒（千萬(wàn)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(shuō)，“它們開始振動(dòng)，一點(diǎn)點(diǎn)地來(lái)回移動(dòng)，然后，大約在一萬(wàn)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(shuō)：“就好像你在山坡上向上彈球，大部分球上到山頂又滾下來(lái)。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(cè)著將會(huì)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?cè)O(shè)計(jì)新的催化劑。”SUNCAT主管、論文合著者詹斯·諾斯科夫說(shuō)。