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超高速成像技术让研究人员拥有窥视原子世界最佳利器

发布时间:2018-01-12 12:39:23

化学家都是梦想家。每一天,他们都会设想分子在空间中漂浮着,原子用庄严的步伐跳着舞。他们在脑海中旋转着这个结构,从多个角度审视它们,让每个分子转动着,直到一个化学键被弹开、另一个化学键卡入到位。

这样的放映模式存在于几乎所有化学家的脑海中,因为它们提供了一种让化学反应如何发生的“视觉化”方式。“化学领域所有学科中贯穿的这种在头脑中发生的实验都是在想象原子的实时移动。”德国汉堡马普学会物质结构与动态研究所与加拿大多伦多大学理化学家Dwayne Miller说,“这是化学领域所有人都会做的梦。”

在分子结构首次发现之后,化学家的这个梦已经做了150多年。现在,这些幻想正在变成现实。研究人员正在利用一系列技术在实验室中导演分子电影,这些影片中大多数是用令人难以置信的光或电子短脉冲解释各个场景。其中一些依赖于扫描隧道显微镜(STMs)的原子精度,另一些则利用X光射线的强烈爆发来揭示目标结构。

他们的目标是拍摄发生在皮秒(10−12秒)或飞秒(10−15)之间的事件,其间,原子仅发生了皮米级(一个氢原子的直径约为100皮米)的移动。在这样的分辨率下,研究人员首次能够直接观测到一个分子在慢镜头下的蠕动、原子键振动和断裂或是电子前后摆动。随着些技术变得越来越主流,其带来的收获将是巨大的。它们能够提供产生更好催化作用和人工光合作用的关键信息或是提供操控分子的量子特征用于计算和通信的新渠道。

光,相机,拍摄!

分子摄影的源头可追溯至上世纪80年代出现的捕捉分子快照的方法。一种叫作抽运—探测光谱的领先技术利用持续仅数飞秒的激光脉冲触发化学反应。但飞秒化学中所用的激光脉冲的波长比单个原子之间的距离大得多,因此它不能直接分辨出分子中原子的位置。

为了获得单个原子的清晰图像,科学家一直以来都依赖于X光晶体学和电子衍射,研究质子或电子在通过分子时如何散射。同时,诸如STMs等工具和原子力显微镜(AFMs)则提供了单个分子中的原子以及它们周围的电子簇的更多详细信息。但这些技术获取图像时通常需要花费数毫秒或更长时间,这对于观测原子前后移动过于缓慢。

因此,过去几年,分子影片制作者结合了飞秒化学、散射和原子成像的各个方面,以形成一种混合技术工具箱向不同学科提供最佳解决方法,结合时间和空间分辨率展示原子及分子的自然生境。

去年,德国雷根斯堡大学的研究人员利用激光脉冲显著提升了STM的快门速度,这种显微镜依赖于一个尖锐顶点(顶点缩成一个单一原子),它可以在一个表面上黏贴的单个分子上移动。由于短距离的量子行为,电子能够在分子和该尖端抽去液体或“打开隧道”,形成电子流。随着尖端移动,电子流大小的变化可以揭示分子周围弥散的电子形态。

尽管这项实验只是一个概念上的证明,该团队领衔作者之一、物理学家Jascha Repp认为,他的团队可以将THz-STM的时间分辨率缩小到10飞秒,这将可以揭示更快的过程:电子在吸光后会在分子上滑翔,或者氢离子会在不同点前后跳跃,这一过程叫作互变现象,它可以影响很多生物分子的反应。


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