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激光助力分子世界拍摄“好莱坞大片”

2017-05-23 09:48
络遇
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超高速成像技术为研究人员提供了观察原子世界的最佳视角。

分子和原子在空间中跳动、旋转,似乎在严肃地跳着舞蹈,它们不断扭曲,直到某个分子链断开,而另一段恰巧“咔哒”卡入到位。

这些具有想象力的画面在大多数化学家脑海中都上演过,还被化学家亲切地称为“使化学反应可视化的方法”。来自于德国汉堡马克斯普朗克物质结构和动力学研究所、加拿大多伦多大学的物理化学家Dwayne Miller说:“为了想象出原子的实时移动过程,整个化学学科几乎都采用这种统一的思维方式,这可是整个化学界的梦。”

图片由Thomas Porostocky提供

从提出分子结构理论至今,化学家使用这种想象的方法已经超过了150年。如今,这些想象将要变为现实。研究人员们使用一系列的技术,在实验室里为分子“导演电影”。

“分子电影”计划

这些“电影”里的“明星们”通常拥有“混合型人格”,数以亿计的分子“明星们”完全相同,在微小晶体中列队整齐,通过一幅全体合影展现这种“人格魅力”。然而,研究人员们逐渐开始关注单个分子。单个分子服从量子力学,而不是经典力学。经典力学是用于规定块状材料特性的统计规律,因此完全独立地想象分子的运动或许能够揭露它们的“生活照”,而不仅仅是一幅“集体照”。

随着全世界的研究团队开发出捕获单一分子运动的新方法,他们正在探索这些技术从不同视角观测分子的能力,他们发现,其中一些技术能够在空间中更精确地扫描原子,而另一些能够在极其短暂的时间内捕捉到分子。

在这场“电影”中,大部分“照明场景”使用极短暂的光脉冲或者电脉冲。其中一些依赖于扫描隧道显微镜(STMs)对原子的精确扫描,而另一些使用高能X射线脉冲来显示它们的结构。

研究人员的目标是记录数皮秒或数飞秒内发生的情景。在如此短的时间内,原子仅仅移动了数皮米(一个氢原子的直径大约为100 pm)。在这种分辨率下,研究人员们能够直接观测到一个分子扭曲的慢动作、原子键振动和断裂,乃至电子的来回运动。随着这些技术的日益普及,其应用前景非常广阔。这些技术可以帮助制造更好的催化剂,为人工光合作用或通过控制分子的量子特性进行计算和通信提供新方法。

“分子电影的想法提供了庞大的想象空间,”美国俄亥俄州立大学的物理学家Louis DiMauro说,“这好比一部动作片与伍迪艾伦的电影之间的不同。”他同时声称,这些方法为展现化学过程的细节提供了无限可能。“这些技术的结合才是拍摄分子‘电影’的正确方式。”

“灯光,摄像,开拍!”

分子摄影的历史可以追溯到20世纪80年代,当时的科学家提出了分子快照拍摄方法。这种先进的技术被称为抽运光谱学,使用持续仅仅数飞秒的激光脉冲来触发一个化学反应(见图“微观世界”)。瞬间后,第二个飞秒脉冲到达并与标本中的分子发生中期反应。这改变了探测器探测到光并且拍摄成一张分子“照片”的方法。通过一次又一次的重复实验,改变两个脉冲之间的延迟,研究人员们能够构建一本翻页动画书,来展示化学变化的每一个阶段。

“微观世界”(由NATURE的Nik Spencer供图)

这项技术通过飞秒化学的方式,展现了化学反应的内部是如何运行的,揭示了单个分子变换成另一种分子时的短暂的中间物的特性,而这在以往从未有过。但飞秒化学中使用的激光波长比原子之间的间距长,因此它不能直接得出原子在分子中的位置。

为了获得单个原子的清晰图像,科学家们长期依赖于X射线晶体学或电子衍射,研究光子或电子是如何穿过分子发生散射的。同时,类似于扫描隧道显微镜以及原子力显微镜的仪器,能够提供内容更丰富的图像,甚至包含单个分子及其周围的电子云。但这些技术通常需要数毫秒或者更久的时间才能获取到一幅图像,这对于观察原子的往返运动来说太慢了。

因此在过去的几年里,分子“电影”的制作者已经将飞秒化学、衍射和原子成像等多项技术结合在一起,创造出一种混合技术工具集合,能够提供最详尽的微观世界,同时结合时间和空间分辨率,展现出原子和分子在自然条件下的形态。

去年,德国雷根斯堡大学的研究人员们使用激光脉冲显著地提升了扫描隧道显微镜的快门速度。研究人员们通过在扫描隧道显微镜的尖端触发太赫兹(THz)辐射进行快速拍照,产生能恰好区分出显微镜尖端和目标分子并五苯之间的电压差,让电子创造“通道”从分子中穿出。这条“通道”在太赫兹脉冲的每一个周期内打开,留给扫描隧道显微镜大约100 fs的快门时间。在这极短的时间内,足以拍下一幅记录并五苯电子轨道的定格图像。

当并五苯失去了电子,其分子会被猛地拉向表面并上下摆动。研究人员们通过使用不同时间间隔、频率更高的太赫兹脉冲首次观察到这种振动。研究团队的领导者之一、物理学家Jascha Repp说“没有其他办法可以观察到单个分子的振荡。”

尽管这个实验本质上是一个概念证明,Repp仍然认为他的团队能够将太赫兹扫描隧道显微镜的时间分辨率缩短到10 fs,展现更快的过程:分子吸收光子后,电子穿过分子滑行的过程;或者氢离子在不同位置来回跃动的互变异构现象,这个现象影响了众多生物分子间的反应。“这可能带来变革,” DiMauro说,“让你能够在一个平面上观察原子特异性的反应。”

Repp和瑞士苏黎士IBM研究院的物理学家Leo Gross都希望把原子力显微镜也应用进去。

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