当你爆炸一个化学键时会发生什么?

diagram of experiment

加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的科学家们正在探索快速光化学反应中转瞬即逝的步骤,利用一些目前可能存在的最短激光脉冲。在这种情况下,可见光的飞秒脉冲(绿色)触发单溴化碘分子的分裂(中心),而阿秒的XUV激光脉冲(蓝色)拍摄分子快照。这使得他们能够在分子爆炸前拍摄电子状态的演化(分子周围的黄色光)。(加州大学伯克利分校图片由Yuki Kobayashi提供)

在阳光明媚的夏日里,我们周围的阳光通过打破束缚而变得越来越坏。化学键。

紫外线破坏了我们皮肤细胞DNA中原子之间的联系,可能导致癌症。紫外光也会破坏氧键,最终产生臭氧,并将氢从其他分子上分离,留下自由基,破坏组织。

加州大学伯克利分校的化学家们利用一些最短的激光脉冲——1 / 5的1次方分之一秒——现在已经能够一步一步地解决导致化学键爆炸的过程,基本上就是把这个事件拍成电影。它们可以在化学键断裂前,跟随分子中处于不同状态的电子,不确定地来回弹跳。

上周发表在《科学》(Science)杂志上的这项技术,将帮助化学家理解并可能操纵光激发的化学反应,即所谓的光化学反应。特别是化学家和生物学家,他们对理解大分子如何在不破坏任何化学键的情况下吸收光能很感兴趣,就像眼睛里的分子吸收光,给我们视觉,或者植物里的分子吸收光进行光合作用一样。

“想想眼睛里的视紫红质分子,”第一作者、加州大学伯克利分校博士生小林由纪(Yuki Kobayashi)说。“当光线照射视网膜时,视紫红质吸收可见光,我们可以看到东西,因为视紫红质’s bond’s构象发生了变化。”

事实上,当光能被吸收时,视紫红质中的一个键会扭曲而不是断裂,从而引发其他反应,从而产生对光的感知。小林教授和他在加州大学伯克利分校的同事斯蒂芬·里昂教授和丹尼尔·纽马克教授开发的这项技术,可以用来详细研究这种光吸收是如何在分子穿过激发态(避免交叉或圆锥交叉)后导致扭曲的。

为了防止DNA中的一个键断裂,“你想把能量从离解重定向到仅仅是振动热。对于视紫红质,你想要将能量从振动重新定向到顺式反式异构化,一个扭转,”小林说。“这些化学反应的重新定向在我们周围无处不在,但我们以前从未见过它们的实际时刻。”

阿秒激光——阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一——已经存在了大约十年,科学家们用它来探测非常快的反应。由于大多数化学反应都发生得很快,这些快速脉冲激光器是“观察”形成化学键的电子在化学键断裂和/或重组时表现如何的关键。

Kobayashi in the lab

小林由纪(Yuki Kobayashi)正在对Hildebrand Hall地下室的一项实验进行调整。他和斯蒂芬·利昂(Stephen Leone)和丹尼尔·纽马克(Daniel Neumark)实验室的研究人员利用飞秒和阿秒激光在真空室中瞄准分子,以发现分子是如何吸收光线的。(加州大学伯克利分校照片由罗伯特·桑德斯提供)

里昂是一名化学和物理教授,也是一名实验主义者,他也使用理论工具,是使用阿秒激光探测化学反应的先驱。在加州大学伯克利分校的实验室里,他有6个这样的x射线和极紫外(合起来就是XUV)激光器。

使用最简单的分子之一,一溴化碘(IBr)有关——这是一个碘原子与一个溴原子,加州大学伯克利分校的团队8飞秒脉冲的分子可见光激发的外层电子,然后用阿托秒激光脉冲探测。

利用时间间隔为1.5飞秒(飞秒为1000飞秒)的阿秒XUV激光脉冲,就像使用频闪灯一样,研究人员可以探测到导致分子分裂的步骤。高能XUV激光能够探测分子内部电子的激发态,而这些电子通常不参与化学反应。

利昂说:“当电子接近交叉点时,你就像在拍一部电子路径的电影,以及它沿着一条或另一条路径运动的概率。”“我们正在开发的这些工具可以让你观察固体、气体和液体,但你需要更短的时间尺度(由阿秒激光提供)。否则,你只能看到开头和结尾,你不知道中间还发生了什么。”

实验清楚地表明,IBr的外层电子一旦被激发,就会突然看到它们可能处于的各种状态或位置,并在决定走哪条路之前探索其中的许多状态或位置。然而,在这个简单的分子中,所有的路径都会导致电子落在碘或溴上,两个原子会飞离。

在更大的分子中,被激发的电子会有更多的选择,有些能量会发生扭曲,比如视紫红质,或者在分子没有分裂的情况下发生分子振动。

利昂说:“在生物学中,事实证明,进化选择了一些在吸收能量和不破坏纽带方面非常有效的东西。”“当你的化学反应出了问题,你就会看到疾病突然出现。”

这篇论文的其他合著者还有加州大学伯克利分校的克里斯蒂娜·张(Kristina Chang)和加拿大渥太华卡尔顿大学的陶增(Tao Zeng)。里昂是约翰·r·托马斯(John R. Thomas)捐赠的物理化学讲座教授,纽马克是加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的化学教授,也是劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的教员科学家。

相关信息

  • 阿秒瞬态吸收光谱法在IBr曲线交叉动力学中的直接映射(科学)
  • 斯蒂芬·里昂网站
  • 丹尼尔Neumark网站

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.berkeley.edu/2019/07/11/what-happens-when-you-explode-a-chemical-bond/

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