一支國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)利用SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的X射線激光器，首次精確追蹤了光驅(qū)動(dòng)金屬化合物的最外層電子重排并轉(zhuǎn)換為活性催化劑的超快過程。該項(xiàng)研究有助于開發(fā)新型的光催化劑，相關(guān)成果發(fā)表于4月2日的《自然》期刊（Nature， 2015， DOI： 10.1038/nature14296）。
這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人、德國(guó)亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心科學(xué)家Philippe Wernet說道：“在數(shù)百飛秒(即千萬(wàn)億分之一秒)的時(shí)間尺度內(nèi)，我們確定了光驅(qū)動(dòng)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(yīng)的細(xì)節(jié)讓他們開發(fā)出預(yù)測(cè)和控制一些重要的早期化學(xué)反應(yīng)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(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，研究對(duì)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(dǎo)化學(xué)反應(yīng)的模型分子。
研究人員發(fā)現(xiàn)，將該化合物置于陽(yáng)光下，5個(gè)一氧化碳“刺”的其中一個(gè)裂開了，分子中剩余的電子重新進(jìn)行排布。最外層電子的排布將決定該化學(xué)分子的反應(yīng)性，包括它能否生成有效的催化劑以及反應(yīng)將如何進(jìn)行。
讓人不能了解的是，這一光觸發(fā)性反應(yīng)發(fā)生的速度有多快，分子在最終變?yōu)榉€(wěn)定物質(zhì)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(wàn)億分之一秒)內(nèi)，一個(gè)乙醇分子（右下）同鐵中心的分子結(jié)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(xì)“刺”，該化合物與乙醇溶劑混合。敏感的探測(cè)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(dá)時(shí)間，科學(xué)家們捕捉到分子轉(zhuǎn)化過程中最外部電子的重排情況。
大約有半數(shù)經(jīng)X射線照射的分子進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)態(tài)，它們的最外層電子很容易與其它分子結(jié)合。因此，這些電子要么與原來的分子再結(jié)合，要么與乙醇分子結(jié)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(gòu)型而處于非活潑狀態(tài)。
Wernet 表示，能夠在這么短的時(shí)間觀察到這一反應(yīng)，實(shí)在令人振奮，下一步準(zhǔn)備將LCLS試驗(yàn)從模型分子轉(zhuǎn)移到太陽(yáng)能燃料分子上。
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