光驱动的化学反应中的分子的能量分布，就像在弯曲的山岭上滚动的高尔夫球一样，其中，分子遵循这些表面上的反应路径运动。图片来源：Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室
美国能源部SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的一架速度极快的“电子相机”拍摄了最详细的原子电影，这段时间内起决定作用的分子可以保持完整或者分裂。
这一研究结果有利于我们更好地理解分子如何在对生命至关重要的过程中对光产生响应，如光合作用和视觉等生命过程，或者是潜在的有害过程，例如紫外线造成的DNA损伤。
目前，这项研究被发表在《Science》杂志上，研究人员对一种有五个原子的气体分子进行实时研究，观察光是如何将分子中两个原子之间的键合拉伸到“不归点”，并将分子送到一条路径上，该路径要么是进一步分离原子并使化学键断裂，要么是保持化学键的同时使原子振动。
来自SLAC加速器理事会和斯坦福大学PULSE研究所的该研究的主要作者博士后研究员Jie Yang说：“化学反应的起点和终点往往都很明显，但若想保证中间反应步骤的速度却更具挑战性，十字路口是决定分子可以做这件事还是另一件事的重要因素。现在我们已经能够直接观察到分子的原子核如何在这样的交叉点重新排列。”
共同作者兼SLAC教授兼斯坦福大学PULSE研究员Todd Martinez说：“我
们研究的系统是自然界中更为复杂的光驱动反应的范例。” 例如，紫外线的吸收会对DNA造成损害，但是其他机制会将光的能量转化为分子振动并最大限度地减少不利的影响。
超高速运动原子的快照
光驱动反应的第一步速度非常快。分子几乎瞬间吸收光，导致其电子和原子核快速重排。为了了解实际发生的情况，研究人员需要能够在飞秒（1秒的一千万亿分之一）内“冻结”运动的超高速摄像机。
该研究中使用的相机是超快电子衍射仪（UED），其高能电子束可以探测样品内部，在化学反应过程中的不同时间点生成对应原子结构的快照，而把这些照片结合在一起，就可以变成快速的原子动作的动画。
在SLAC，
研究人员将激光照射到三氟碘甲烷气体分子上，并在数百飞秒的时间内观察到碳和碘原子之间的键如何延伸到键断裂的点，从分子中分离碘，或者收缩，并引起原子沿键的振动。
该研究的首席研究员兼SLAC的UED计划负责人，物理学家Xijie Wang表示：“UED对反应过程中的观察至关重要，其他方法要么不能直接检测核运动，要么不能达到在气体中进行观察所必需的分辨率。”
绘制化学反应的能量图
研究中的观察结果与计算结果一致，这使得我们可以更深入地了解反应过程中发生的情况。
激光“激活”分子，将其从低能量的基态提升到能量高的激发态。这样的分子状态可以通过能级图来描述，其中能量较高的为峰和能量较低的为谷。就像在弯曲的山岭上滚动的高尔夫球一样，分子可以遵循这些表面上的反应路径。
当不同分子状态的图相交时，反应可以在几个方向上同时进行。化学家将这一点称为圆锥形交叉点。
事实上，
锥形交叉点的分子同时存在于几个状态，这种奇怪的根源在于分子是微小的量子系统，PULSE和斯坦福大学的博士后研究员Xiaolei Zhu说：“我们可以在计算机模拟中预测这种行为，跟现在我们也直接看到分子在实验中的表现完全一样。”
该团队现在正在计划接下来的进程。Wang也表示：“
我们正在继续开发UED的新方法，以便以后可以查看液体中的类似过程，这将有助于我们更理解生物环境中光驱动的化学反应。”
原文来自：sciencedaily，原文题目：Ultra-high-speed 'electron camera' catches molecules at a crossroads，由材料科技在线团队翻译整理。
