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| 科学家利用超快摄像机首次捕捉到两个原子在分子中运动的即时影像 |
据国外媒体报道，美国科学家近日使用一种新的超高速摄像机，首次录得两个原子在分子中运动的即时影像，成功捕捉原子持续不到千兆分之一秒的运动瞬间。这项实验的详细报告发表在本周的《自然》杂志上。
该实验的关键部分是，研究人员利用分子本身的电子能量作为一种“闪光灯泡（flash bulb）”照亮分子的运动。该研究小组利用超快激光脉冲射到一个分子上，从其中一个原子周围轨道撞出一个电子，电子跌回分子上形成微小碰撞，类似于一个物体周围的光散射，或池塘里的涟漪。美国俄亥俄州立大学的物理学教授路易斯•迪莫罗（Louis DiMauro）说：“这一研究成果标志着我们不仅向观察化学反应，而且在原子尺度控制方面迈出了第一步。通过这些实验，我们意识到，通过调整激光发射，就可以在电子跌回分子上时控制电子的量子轨迹。下一步将要看到，我们是否能恰到好处的引导电子，达到控制化学反应的目的。”
让一个静止物体成像的标准技术包括利用电子束射击拍摄对象，每秒以数以百万计的电子轰击。研究人员的新的单一电子量子方法使他们能够捕捉到快速的分子运动。一种被称为激光诱导电子衍射仪（laser induced electron diffraction，LIED ）的技术常用在表面科学（surface science）领域，用于研究固体材料。在此项实验中，研究人员用它来研究单个分子中的原子运动。他们用于研究的分子构造相对简单，即空气主要成分氮，或氮气，以及氧，或氧气。氮气和氧气是大气中常见的气体，科学家已经知道其结构的每一个细节，所以这两种非常基本的分子作为LIED方法是很好的测试例子。
在不同情况下，研究人员利用50飞秒（千兆分之一秒）的激光脉冲撞击分子。他们可以从分子外壳撞出一个单一电子，在电子跌回分子上相撞时，就可检测电子散射信号。迪莫罗和俄亥俄州立大学博士后研究员科斯明•伯拉格（Cosmin Blaga）把散射电子信号比喻成光经过缝隙时所形成的衍射图样（diffraction pattern）。科学家仅根据衍射图案就可以重建缝隙的大小和形状。在这种情况下，根据电子衍射图样，物理学家重建了分子的大小和形状。伯拉格解释说，关键的是在电子从分子撞出到电子回撞分子这短短的时间之内，分子中的原子移动了。LIED方法可以捕捉这个动作，他补充说：“类似于拍量子世界的电影。”
伯拉格说：“除了控制化学反应，该技术提供了一种新的方法来研究物质的结构和动力学。最终，我们想真正了解化学反应是如何发生的。因此，从长远来看，该研究成果将应用在材料科学，甚至化学制造业。”迪莫罗补充说：“你还可以研究个别原子，但当我们可以对更复杂的分子之间的反应进行研究时，将对科学造成更大的影响。观察两个原子，距研究蛋白质等更有趣分子还有很长的路要走
