科學(xué)家在環(huán)形氣體分子破裂和瓦解時(shí)，首次追蹤到飛秒級(jí)超速的結(jié)構(gòu)性變化。環(huán)形分子在生物化學(xué)中很豐富，也是許多化合藥物的基礎(chǔ)成分。該研究指明了氣體化學(xué)反應(yīng)實(shí)時(shí)x射線的研究方向，這對(duì)生物過(guò)程至關(guān)重要。
美國(guó)能源部國(guó)家斯坦福直線性加速器中心（StanfordLinearAcceleratorCenter，SLAC）實(shí)驗(yàn)室的研究人員編譯出這個(gè)基本的開(kāi)環(huán)反應(yīng)到計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)序列的完整步驟，該動(dòng)畫(huà)提供一個(gè)結(jié)構(gòu)性變化的“分子電影”。
這個(gè)先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)在斯坦福直線加速器中心的直線性連續(xù)加速器光源研究所（美國(guó)能源部用戶設(shè)備科學(xué)辦公室）完成，對(duì)于精確跟蹤氣體分子在化學(xué)反應(yīng)中飛秒級(jí)的變化，樹(shù)立了重要的里程碑。
斯坦福直線加速器中心的科學(xué)家MikeMinitti，曾與布朗大學(xué)的PeterWebe合作過(guò)，他說(shuō)道：“這顯示了直線性連續(xù)加速器光源(LinacCoherentLightSource)的一項(xiàng)特性:一種從未見(jiàn)過(guò)的化學(xué)反應(yīng)方式就會(huì)在你眼前出現(xiàn)。”Minitti表示：“直線性連續(xù)加速器光源就像是一個(gè)游戲規(guī)則的改變者，它使我們?cè)陲w秒級(jí)的速度上觀察化學(xué)變化，甚至能觀察到單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)。”這種方法還適用于更復(fù)雜的分子和化學(xué)變化。
利用斯坦福直線加速器中心的X射線研究氣體中自由懸浮的分子，可以看到化學(xué)變化中的清晰結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)闅怏w分子幾乎不與氣體分子或結(jié)構(gòu)連接。他還補(bǔ)充道：“直到現(xiàn)在，利用X射線研究快速的氣體分子變化仍然受到限制。”
化學(xué)運(yùn)動(dòng)的新審視
該研究針對(duì)由1,3-環(huán)己二烯（1,3-cyclohexadiene，CHD）組成的氣體分子，它是一個(gè)來(lái)自松樹(shù)油的小型環(huán)形有機(jī)分子。環(huán)形分子在許多生物和化學(xué)過(guò)程中扮演關(guān)鍵角色，這些反應(yīng)過(guò)程實(shí)質(zhì)在于化學(xué)鍵的形成和破壞。該實(shí)驗(yàn)主要追蹤環(huán)形分子在兩原子間的化學(xué)鍵破壞后如何分解變成近線性分子的過(guò)程。
Minitti表示：“對(duì)于分子的展開(kāi)過(guò)程，長(zhǎng)久以來(lái)一直存在爭(zhēng)議。原子可以采取不同的路徑和方向。跟蹤這一點(diǎn)最終顯示化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程,而且可能會(huì)促使理論和模型的改進(jìn)。”
分子電影的制作
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用超快的紫外激光脈沖啟動(dòng)開(kāi)環(huán)反應(yīng)，以此激發(fā)環(huán)己二烯。
然后，他們又利用斯坦福直線加速器中心的X射線在不同的時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量分子的形狀變化過(guò)程。
研究人員序?qū)?0萬(wàn)多個(gè)類似頻閃燈散射x射線的測(cè)量進(jìn)行了編制和排列。然后,他們與這些測(cè)量結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬匹配，結(jié)果揭示了在分子結(jié)構(gòu)打開(kāi)后的最初200分秒內(nèi)最可能的分解方式。該仿真由愛(ài)丁堡大學(xué)（UniversityofEdinburgh）研究人員AdamKirrander完成，結(jié)果展示了原子的位置和運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程。
動(dòng)畫(huà)的每個(gè)區(qū)間時(shí)長(zhǎng)為25飛秒，大約是電視30幀每秒速度的1.3萬(wàn)億倍。
Weber表示：“這樣的分辨率對(duì)于觀察分子運(yùn)動(dòng)是一個(gè)巨大的進(jìn)步。”
氣體樣本對(duì)于這個(gè)研究來(lái)說(shuō)是理想樣本，這是因?yàn)椋我鈨上噜彮h(huán)己二烯分子間的間隔被減少，使得更容易區(qū)分和追蹤單個(gè)分子運(yùn)動(dòng)。斯坦福直線加速器中心的x射線脈沖就像臺(tái)球游戲中的母球，使分子中的電子散射至位敏探測(cè)器，它可以規(guī)劃分子中原子的位置。
Minitti表示：“本研究可以作為大分子的基準(zhǔn)和平臺(tái)，且有助于我們研究理解更復(fù)雜、更重要的化學(xué)變化。”
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