一支國際研究團隊利用SLAC國家加速器實驗室的X射線激光器，首次精確追蹤了光驅動金屬化合物的最外層電子重排并轉換為活性催化劑的超快過程。該項研究有助于開發(fā)新型的光催化劑，相關成果發(fā)表于4月2日的《自然》期刊（Nature， 2015， DOI： 10.1038/nature14296）。
這項研究的負責人、德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心科學家Philippe Wernet說道：“在數(shù)百飛秒(即千萬億分之一秒)的時間尺度內，我們確定了光驅動作用下，化合物最外層電子的重排過程”。研究者們希望通過了解這些微觀反應的細節(jié)讓他們開發(fā)出預測和控制一些重要的早期化學反應過程的方法，包括人工光合作用體系的開發(fā)。
在SLAC的直線加速器相干光源（LCLS）所進行的實驗中，研究對象是一種稱為Fe(CO)5（五羥基鐵）的淡黃色液體。在該化合物中，一氧化碳“刺”環(huán)繞著鐵原子中心的周圍。Fe(CO)5可作為光誘導化學反應的模型分子。
研究人員發(fā)現(xiàn)，將該化合物置于陽光下，5個一氧化碳“刺”的其中一個裂開了，分子中剩余的電子重新進行排布。最外層電子的排布將決定該化學分子的反應性，包括它能否生成有效的催化劑以及反應將如何進行。
讓人不能了解的是，這一光觸發(fā)性反應發(fā)生的速度有多快，分子在最終變?yōu)榉€(wěn)定物質前的短暫中間態(tài)是什么。
該模擬圖顯示了以鐵原子為中心的分子被激光（左上）刺破，在數(shù)百飛秒(即千萬億分之一秒)內，一個乙醇分子（右下）同鐵中心的分子結合
在LCLS，他們使用光纖激光器脈沖撞擊該鐵化合物其中的一條細“刺”，該化合物與乙醇溶劑混合。敏感的探測器捕捉到僅僅幾百飛秒后，一束極亮的X射線脈沖刺入分子中。通過改變X射線脈沖的到達時間，科學家們捕捉到分子轉化過程中最外部電子的重排情況。
大約有半數(shù)經X射線照射的分子進入化學反應態(tài)，它們的最外層電子很容易與其它分子結合。因此，這些電子要么與原來的分子再結合，要么與乙醇分子結合形成新的化合物。剩下約半數(shù)的分子，最外層電子的排布使之形成穩(wěn)定構型而處于非活潑狀態(tài)。
Wernet 表示，能夠在這么短的時間觀察到這一反應，實在令人振奮，下一步準備將LCLS試驗從模型分子轉移到太陽能燃料分子上。
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