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2018
04-16

科学家排列X射线的不规则气体分子


使用SLAC的X射线激光进行的一项研究是制作电影时关键的一步,这些电影能够显示化学反应过程中单个分子如何变化。

由于气体混乱地翻滚,从不静坐,很难研究气体中的单个分子。 SLAC的研究人员克服了这个挑战,使用激光指向相同的总体方向,如响应磁铁的罗盘针,因此可以使用X射线激光更容易地进行研究。

使用SLAC Linac相干光源(LCLS)进行的实验于12月6日在 Physical Review A 中进行了报道,它是制作电影的一个关键步骤,可以显示单个分子在化学反应过程中如何变化。了解反应的许多阶段可能有助于科学家为重要的工业过程设计更有效,可控制的反应,其中许多依赖于与固体反应的气体。 “这是分子电影的”预告片“ - 这是第一帧,”负责实验的德国DESY国家实验室自由电子激光科学中心的Daniel Rolles说。 “理论上,人们知道分子会做各种奇怪的事情。如果你能看到变化并检查理论,那么你就可以了解它是如何发生的,并且可以控制它。“

在实验中,研究人员将一股碳氟化合物气体喷射到两个交叉激光器的路径中:一个光学激光器使分子极化 - 沿着一个共同的轴对准它们,就像一个轻微摆动的旋转陀螺仪 - 和LCLS X射线激光器。

氟碳化合物分子的选择是因为它们的化学组成允许它们被激光的电场极化,因为它们有点复杂;每个都有一个环状结构和一个尾巴状的突刺,并且包含十多个原子。这使得它们成为未来更大分子研究的良好测试案例。

对X射线激光进行了仔细的调整,以便在将分子爆裂为带电碎片之前,主要从样品中的氟原子中弹出电子。科学家用灵敏的探测器测量了释放的氟电子和带电的氟碎片,并对这些数据进行分类和分析,以重建分子的原始形状和结构。尽管每个X射线激光脉冲击中许多分子,但是被射出的电子的角度揭示了关于单个分子结构的细节。

Rolls说,LCLS X射线激光器特别适合于这种类型的原子级化学研究,因为它允许科学家确定他们想研究的分子中的特定元素。 “这是元素和特定地点:我们可以在一个分子中挑选一个地方,并将这个环境形象化,”他说,“就像挑选出一种类似的树,否则这些树会被周围的森林所掩盖。”这种选择性可以让科学家们对化学反应特别感兴趣的领域进行调整。

激光对准分子,首先在1999年展示,仍然是一个非常年轻的领域,来自LCLS的超快X射线脉冲可以让科学家们研究排列分子的变化,发生在十亿分之一秒 - 一个更短的时间尺度与其他研究工具相比,虽然不是所有的分子都可以与激光对齐,研究人员指出,丰富的分子适合这种技术。

如果研究人员能够实现分子的更全面的三维定位 - 就像用手指停止旋转的顶部并旋转它以某种方式面对你 - 他们将有更容易的时间测量它们的性质并确定它们的结构。参与该实验的LCLS科学家John Bozek说:“即使事先不了解其形状,您也可以解决单个分子的结构。”参与实验的LCLS科学家John Bozek说,这可能对研究化学反应的中间阶段有用。罗尔斯说,他的研究小组正在研究分子排列和成像的新技术,目标是研究具有更奇特结构的大分子。

合作者包括来自SLAC的研究人员;中国自由电子激光科学中心 德国;德国Max Planck核物理,结构动力学,医学研究和生物物理化学研究所;德国国家实验室DESY;丹麦奥胡斯大学;印度萨哈核物理研究所;意大利的里雅斯特大学;德国的哥廷根和汉堡大学;德国Max Born研究所;荷兰FOM-AMOLF研究所;德国的物理技术联邦研究所(PTB);和堪萨斯州立大学。

 

 科学家在SLAC的Linac相干光源中使用光学激光器将分子沿着一个共同的轴线定向,如指南针针对磁体,然后使用X射线激光脉冲来探索结构细节。 (koocbor / Flickr:https://www.flickr.com/photos/koocbor/5388986924/) 此图显示SLAC的直线光源相关光源实验的设置,该光源将碳氟化合物分子沿公共轴与然后使用X射线激光脉冲来探索其结构细节。首先将分子导入窄分子束中。光学激光器和X射线激光器与气体束(中心)的路径相交。分子的球棒结构显示在左上角。探测器捕获由X射线脉冲从分子中喷出的氟原子和电子的指纹,用于了解分子的原始形状。 (Phys.Rev.A 88,061402(R),2013)

资料来源:SLAC