来源： 作者： 发布时间：2020-05-03

 许多光驱动化学反应的第一步，就像那些促进光合作用和人类视觉的化学反应一样，是分子吸收光能量时电子排列的改变。这种微妙的重新安排为接下来的一切铺平了道路，并决定了反应的进行方式。现在，科学家们第一次直接看到了这第一步，观察到了分子中的任何原子核在反应之前，分子的电子云是如何膨胀出来的。

虽然这种反应在理论上已经被预测并间接地被检测到，但这是第一次在被称为分子电影制作的过程中用X射线直接成像，其最终目的是观察当化学键形成或断裂时电子和原子核是如何实时起作用的。在过去的分子电影中，我们能够看到原子核在化学反应中是如何运动的，但化学键本身是电子再分配的结果，是看不见的。现在，我们可以看到化学键在反应过程中的变化。

一种重要的生物反应模型

这是由1，3-环己二烯（CHD）主演的一系列分子电影中的最新一部，CHD是一种从松油中提取的环状分子。在低压气体中，它的分子自由漂浮，易于研究，是一种重要的生物反应模型，就像阳光照射皮肤时产生维生素D一样。

在近20年的研究中，科学家们研究了当光首先通过电子衍射技术照射到CHD环上时，CHD环是如何分裂的，最近又研究了SLAC的“电子照相机”、MeV-UED和X射线自由电子激光（Linac相干光源）是如何分裂的。世界各地的这些和其他研究都揭示了这种反应是如何在越来越精细的细节中进行的。

四年前，来自布朗、斯拉克和爱丁堡的研究人员用液晶显示器制作了一部CHD环分离的分子电影，这是有史以来第一部用X射线记录的分子电影。这项成就被列为美国能源部国家实验室即将取得的75项最重要的科学突破之一，同时还有诸如DNA解码和中微子探测等发现。

但是之前的实验中没有一个能够观察到最初的电子洗牌步骤，因为除了分子的原子核的更大运动之外，科研人员没有办法梳理它。

聚光灯下的电子

在这项研究中，实验小组采取了一种稍微不同的方法：他们用一种波长的激光照射CHD气体样本，激发分子进入一种相对长时间存在的状态——200飞秒，或十亿分之一秒的百万分之一秒，这样就可以用LCLS X射线激光脉冲探测它们的电子结构。

这项被称为非共振X射线散射的技术测量了样品中电子的排列，研究小组希望在分子吸收光时捕捉到电子分布的变化。他们的测量结果证实了这一预期：虽然来自电子的信号很弱，但研究人员能够毫不含糊地捕捉到电子云是如何变形成和一个激发电子态相对应的一个更大、更弥散的云。

在原子核开始运动之前观察这些电子变化是至关重要的。在化学反应中，原子核会移动，很难将这种信号从属于化学键形成或断裂的其他部分中分离出来。而在这项研究中，原子核在这个时间尺度上的位置变化相对较小，因此能够看到分子吸收光后电子的运动。

科学家们正在对这些电子的运动和移动进行成像，这为直接实时观察电子在键断裂和键形成过程中的运动铺平了道路。