研究者用激光把电子敲击出原子轨道，从而拍摄到飞秒级的分子运动

 

　　电子在原子内成群地移动，略微弯曲原子键而改变分子形状，于是分子处于不停的运动中。美国俄亥俄州立大学的物理学家考斯明·博拉格（Cosmin Blaga）和他的同事运用物理化学实验室的标准工具，成功实现了拍摄分子运动快照的技术。
 
　　通过把一束激光从一个小孔射入真空腔中，博拉格创造了一个红外激光场。激光的强度把电子敲击出原子轨道仅仅几飞秒，也就是10-15秒。就在电子被吸引回原子轨道及其短暂的时间内，连接分子内原子的键拉伸了。而且，尽管它们只移动了一埃（10-10米），博拉格的仪器也能够检测到因为键拉伸所产生的电子的散射角和衍射图样的变化。通过调整激光的波长，研究组能控制每个电子离开原子轨道多长时间才返回轨道，从而有效地拍摄到了一系列分子形状的快照。
 
　　博拉格把这个实验比喻成试图通过向汽车投掷网球来获悉汽车的形状。如果你从不同的方向把网球投掷到汽车上，这些球会“朝不同的方向散射，”他说，这取决于球是击中了比如说汽车的挡风玻璃还是后备箱。而且，“利用那些球是如何散射的信息，你能够再现汽车的图像。”
 

创新之处

　　自从20世纪初欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）著名的金箔实验――用X射线和激光束轰击分子和原子以来，研究者们就试图通过观察电子的散射情况来研究分子形状。近来，研究人员开始用电子脉冲射击分子，但是所引入的电子的负电荷干扰了实验读数，快照的时间分辨率只能精确到一皮秒，即万亿分之一秒，这个分辨率太低了，无法捕捉到研究人员所要探寻的分子形状中的精细变化。
 
　　通过只把一个单个的电子拉出分子，博拉格和他的团队得以改变分子的形状而不引入任何干扰，从而捕捉到了更短暂的飞秒级的分子形状变化。“他们所做的是非常顶级的技术，”杰曼·西爱尼（German Sciaini）说，“你能真真切切地看到这个分子是如何随着时间变化的。”西爱尼在马克斯·普朗克结构动力学研究部研究原子分辨率，他并没有参加博拉格的这项研究。
 
　　博拉格在发表的研究成果中分析了氧分子和氮分子的运动，氧分子和氮分子有非常简单的双原子结构，博拉格说：“氧分子和氮分子的运动论证了我们这项技术的原理。”但是他希望能应用这项技术去分析结构更复杂的分子甚至分子反应，从根本上拍摄到DNA受损或蛋白质折叠时发生了什么。博拉格说：“要精确地知道分子反应的每一步是如何发生的，你就需要把分子反应中不同时间的分子图像拍摄下来。”
 
　　为了得出单个分子的精确形状，需要把数百万的电子从原子轨道中敲击出来――就好像需要把数百万的网球投掷到汽车上――目前这项工作耗时6至9小时。至于结构更复杂的分子或分子反应，研究人员则需要敲击出更多的电子。“我们的改进方向是加快实验速度，这是未来几年我们工作的主攻点。”博拉格说。
 
 

资料来源 The scientist

责任编辑 彦 隐