科学家首次观察到化学反应过渡态的形成
更新日期：2015-03-03在很长一段时间内，人们对化学键和成键过程的认识都来自理论和公式计算，不过随着技术手段的进步，现在直接从实验中观测它们已经成为了可能。在2013年，科学家们已经通过原子力显微镜看到了共价键的结构。而现在，斯坦福直线加速器中心（SLAC）国家加速实验室的科学家们又取得了一项新突破：他们利用X射线激光观测到了化学反应中形成过渡态化合物的过程。这一研究成果于2月27日刊登在《科学》杂志上（Science, 2015, 347, 978-982, DOI: 10.1126/science.1261747）。
由于化学反应中的过渡态化合物的存在时间非常短，直接通过实验方法观测它们在之前很长一段时间内都被认为是不可能的任务。而现在的这一研究成果将为化学领域带来了重要的突破。
SLAC实验室及斯坦福表面科学与催化中心（SUNCAT）教授安德斯·尼尔森（Anders Nilsson）是这项研究的负责人。他表示：“这是所有化学领域的核心，我们视之为‘圣杯’，因为它控制着一切化学反应。在化学反应过程中的任何一个时刻，处于这种过渡状态的分子都太少了，所以我们以前一直认为这种现象是无法直接观察到的。”
最终，是超亮、超快的脉冲X射线打破了这种不可能。这项实验使用了SLAC的直线加速器相干光源（LCLS）。这是一种亮度非常高的X射线脉冲，它的波长足够短，脉冲频率也足够快，这使得它可以探测到化学反应在非常短时间内发生的电子结构变化。
研究人员使用LCLS研究了一个发生在固体催化剂表面的反应，类似的反应也发生在汽车的尾气净化器当中：固体催化剂表面“抓取”一氧化碳分子（CO）和氧原子并使它们相邻排列，使它们更容易配对生成二氧化碳分子（CO2）。
在SLAC的试验中，研究人员将CO与氧原子附着在钌催化剂的表面，并通过一束波长400 nm的激光脉冲引发其反应。研究小组通过LCLS的X射线脉冲得以观察到此反应的过程。通过对X射线吸收和发射光谱的监测，研究者们弄清楚了这些原子周围电子的重新排列情况——这一不易察觉到的微妙过程发生在数百飞秒内（飞秒为10-15秒）。
“首先氧原子活化，随后不久CO也被激活”，尼尔森说道，“它们开始振动，在约一万亿分之一秒后，它们开始相互碰撞并转变为过渡态化合物。”
研究人员们惊讶于能观察到相当多的进入过渡状态的反应物，同样他们也发现，只有很小的一部分过渡态化合物真正顺利地形成了稳定的CO2。剩下的大部分都没能完成反应，而是再次分开成为反应物。
“这就像你往山坡上滚球一样，很多达到山顶的球之后又滚回了最初的位置，”尼尔森表示。“我们观察到，在这个过程中出现了很多‘尝试性’的反应，但最终只有一小部分继续进行并生成了稳定的产物。关于这个现象，我们仍需要进行更多的研究来弄清楚其中的细节。”
“对于理论化学家来说，这是一条很有意思的途径。因为它开辟了一个全新的研究领域。”来自SLAC和SUNCAT的研究合作者弗兰克·佩德森（Frank Abild-Pedersen）这样说道。
另一位研究合作者、SUNCAT主任延斯·诺斯特罗克斯科夫（Jens Nostrokerskov）说：“这个研究成果相当重要，它让我们直接窥探到了科学基础的规律，也让我们能够进行新的催化剂设计。”
图：利用SLAC国家加速器实验室的X射线激光进行实验，研究人员首次拍摄到化学键形成过程中的过渡态：原子形成一种不确定的键。反应物是CO分子（左边，由一个碳原子（黑）和一个氧原子（红）构成）和它右边的一个氧原子。它们附着在钌催化剂表面，催化剂让它们彼此靠近，更容易反应。发射一束光学激光脉冲，反应物振动并互相碰撞，碳原子和氧原子形成一个过渡态的键（中间）。生成的CO2分子脱离催化剂表面飘走（右上）。LCLS的X射线激光能探测到这些进行中的反应，并生成动画视频。
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