科學家首次看到化學鍵形成過程有助理解化學反應發生

利用美國能源部斯坦福線性加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室的X射線激光，科學家第一次看到了化學鍵形成的過渡狀態：兩個原子開始形成一個弱鍵，處在變成一個分子的過程中。相關論文發表在2月12日的《科學快遞》上。

長期以來，人們一直認為這是不可能的。這一基礎性進步將產生深遠影響，可以幫助人們理解化學反應是如何發生的、設計釋放能量的反應、開發新產品及如何更有效地給作物授粉。“這是所有化學最核心的部分，可以看作是一個圣杯，因為它控制著化學反應。”該研究負責人、SLAC/斯坦福SUNCAT界面科學與催化劑中心和瑞典斯德哥爾摩大學教授安德斯·尼爾森說，“但由于在任何時刻，處在這種過渡狀態的分子都如此之少，人們認為我們永遠無法看到它。”

研究小組觀察的反應與汽車尾氣中一氧化碳（CO）的催化中和反應是一樣的：反應在催化劑表面發生，催化劑能抓住CO和氧原子，讓它們彼此靠近，更容易地結合形成二氧化碳（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反應世界。

在實驗中，研究人員把CO和O附著在一種釕催化劑表面，用光學激光脈沖驅動反應進行。脈沖將催化劑加熱到2000開氏度，使附在上面的化學物質不斷振動，大大增加了它們碰撞結合在一起的機會。利用LCLS的X激光脈沖，研究人員能探測到原子的電子排布的變化，即化學鍵形成的微細信號，時間僅有幾飛秒（千萬億分之一秒）。

“首先是氧原子被激活，隨后一氧化碳被激活。”尼爾森說，“它們開始振動，一點點地來回移動，然后，大約在一萬億分之一秒后，它們開始碰撞，形成了這些過渡狀態。”

他們驚訝地發現，許多反應物都進入了過渡態，但只有一小部分形成了穩定的二氧化碳，其余的又分開了。尼爾森說：“就好像你在山坡上向上彈球，大部分球上到山頂又滾下來。我們看到許多球在不斷努力，但只有很少反應能持續到最終產物。要詳細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亨利克·奧斯托姆教授領導的研究小組做了如何用光學激光引發反應的最初研究工作，在斯德哥爾摩教授拉斯·皮特森的領導下計算了理論光譜。在實驗中，理論起著關鍵作用，預測著將會看到的情況。

“這是極為重要的，讓我們能深入理解法則的科學基礎，而這些法則能幫我們設計新的催化劑。”SUNCAT主管、論文合著者詹斯·諾斯科夫說。