科学家追踪到催化剂的超快形成过程

　　该模拟图显示了以铁原子为中心的分子被激光（左上）刺破。在几百飞秒内，即千万亿分之一秒内，一个乙醇分子（右下）同铁分子结合。供图：SLAC 美国国家加速器实验室

　　一支国际研究团队首次精确追踪了金属化合物最外层电子的再排布。

　　该研究成果发表于《自然》期刊，将有助于科学家们开发新型催化剂，该新型催化剂将把阳光转化为燃料。此次研究是在美国国家能源部（DOE）的斯坦福直线加速器中心（SLAC）的加速器实验室中进行，用到了X射线激光器。

　　“我们发现了光线是如何重新排布化合物最外层电子的，此次研究的时间尺度降低到了数百飞秒，即千万亿分之一秒，”此次研究领导人Philippe Wernet说，他是柏林Helmholtz-Zentrum材料和能源研究所（Helmholtz-Zentrum Berlin for Materials and Energy）的一名科学家。

　　研究者们希望了解了这些微观反应的细节后，可以让他们开发出预测和控制一些重要的早期化学反应过程，包括植物将光和水转化为燃料的光合反应。科学家们一直希望能够复制这些自然过程，比如使用阳光和水生成氢类燃料，或者能够控制生成再生能源的化学反应。

　　“终极目标是能够设计化学反应，让它们按照我们的意愿去反应，” Wernet说。

　　在SLAC直线型连续加速光源装置（LCLS）所进行的实验中，科学家的研究对象是一种被称作五羟基铁的化合物，在该化合物中，一氧化碳“刺”以铁原子为中心环绕周围。这一结构只是更复杂化合物的基本构件，不过已经能够为光引导型化学反应提供模型了。

　　研究者们已经发现，将该化合物置于阳光下能够将其周围的5个一氧化碳“刺”的其中一个劈掉，让化学分子剩下的电子重新进行排布。最外层电子的排布将决定该化学分子的反应——包括它能否生成有效的催化剂——同时也能够透露出反应将如何进行。

　　让人不能了解的是，这一光触发性反应发生的速度有多快，分子在最终变为稳定物质前它将首先变成哪种中间过渡物。

　　在LCLS，科学家们使用光纤激光器脉冲撞击该铁化合物其中的一条细“刺”，在撞击过程中，该化合物与乙醇溶液混合在一起，科学家借此冲破以铁原子为中心的分子。仅仅几百飞秒后，一个极亮的X射线脉冲刺入分子中，这被敏感的探测器捕捉到。

　　通过改变X射线脉冲刺入分子内部的时间，科学家们捕捉到分子转化过程中最外部电子的再排布情况。

　　大约有半数经X射线照射的分子进入化学活泼状态，它们的最外层电子与其它分子结构结合。因此，这些电子要么与原来的分子再结合，要么与乙醇分子结合形成新的化合物。对于剩下约半数的分子，最外层电子形成稳定结构使得受光照的分子处于非活泼状态。所有的这些变化仅仅发生在光移动千分之一英尺的时间内。

　　“能够在这么短的时间观察到这一反应，实在让我们大喜过望，” Wernet说。

　　几年时间的数据分析和理论工作终于得到了回报，他说。下一步就是将LCLS试验从模型分子身上转移到太阳能燃料分子身上进行了。

　　“这绝对是一个振奋人心的试验，因为这是我们第一次使用LCLS对液态化合物的化学反应进行研究。”参与本次试验的LCLS科学家Josh Turner说道。“LCLS在解决这类化合物超快反应的研究中拥有独一无二的优势。”

　　“这一工作将未来LCLS领域研究提升了一个台阶，它向世人证明不同研究领域的科学家在SLAC合作可以让未来科学之路更宽、更好。”SLAC的化学家Kelly Gaffney说。