在很長一段時間內(nèi),，人們對化學(xué)鍵和成鍵過程的認(rèn)識都來自理論和公式計算,，不過隨著技術(shù)手段的進(jìn)步，現(xiàn)在直接從實驗中觀測它們已經(jīng)成為了可能,。在2013年,，科學(xué)家們已經(jīng)通過原子力顯微鏡看到了共價鍵的結(jié)構(gòu)（更多閱讀：用原子力顯微鏡看見納米石墨烯的合成）。而現(xiàn)在,，斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速實驗室的科學(xué)家們又取得了一項新突破：他們利用X射線激光觀察到了化學(xué)反應(yīng)中形成化學(xué)鍵的過渡狀態(tài),。這一研究成果近日刊登在《科學(xué)快訊》（Science Express）上。

由于化學(xué)反應(yīng)中的過渡態(tài)化合物的存在時間非常短,，直接通過實驗方法觀測它們在之前很長一段時間內(nèi)都被認(rèn)為是不可能的任務(wù),。而現(xiàn)在的這一研究成果為化學(xué)領(lǐng)域帶來了重要的突破。

SLAC實驗室及斯坦福表面科學(xué)與催化中心（SUNCAT）教授安德斯·尼爾森（Anders Nilsson）是這項研究的領(lǐng)導(dǎo)者,。他表示：“這是所有化學(xué)領(lǐng)域的核心,，我們視之為‘圣杯’，因為它控制著一切化學(xué)反應(yīng),。在化學(xué)反應(yīng)過程中的任何一個時刻,，處于這種過渡狀態(tài)的分子都太少了，所以我們以前一直認(rèn)為這種現(xiàn)象是無法直接觀察到的,?！?/p>

最終，是超亮,、超快的脈沖射線打破了這種不可能,。這項實驗使用了SLAC的直線加速器相干光源（LCLS）。這是一種亮度非常高的X射線脈沖,，它的波長足夠短,，可以進(jìn)行分子、原子尺度的成像,，它的脈沖頻率也足夠快,，它就像飛快閃動的閃光燈，可以捕捉不斷運動中的原子和分子,。

直線加速器相干光源示意圖,。圖片來自：Stanford Linear Accelerator Center

研究人員使用LCLS研究了一個發(fā)生在固體催化劑表面的反應(yīng)，類似的反應(yīng)也發(fā)生在汽車的尾氣凈化器當(dāng)中：固體催化劑表面“抓取”一氧化碳分子和氧原子并使它們相鄰排列，使它們更容易配對生成二氧化碳分子,。

在SLAC的試驗中,，研究人員將一氧化碳與氧原子附著在金屬釕為催化劑的表面，并通過一束激光脈沖引發(fā)其反應(yīng),。研究小組通過LCLS的X射線脈沖得以觀察到此反應(yīng)的過程,，弄清楚了這些原子周圍電子的重新排列情況——這一不易察覺到的微妙過程發(fā)生在幾飛秒內(nèi)（飛秒為10^-15次方秒）。

“首先氧原子活化,，隨后不久一氧化碳分子也被激活”,，尼爾森說到，“它們開始振動,，在約一萬億分之一秒后,，它們開始相互碰撞并轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡態(tài)化合物?！?/p>

研究人員們驚訝于能觀察到相當(dāng)多的進(jìn)入過渡狀態(tài)的反應(yīng)物,，同樣他們也發(fā)現(xiàn)，只有很小的一部分過渡態(tài)化合物真正順利地形成了穩(wěn)定的二氧化碳分子,。剩下的大部分都沒能完成反應(yīng),，而是再次分開成為反應(yīng)物。

“這就像你往山坡上滾球一樣,，很多達(dá)到山頂?shù)那蛑笥譂L回了最初的位置,，”尼爾森表示?！拔覀冇^察到,，在這個過程中出現(xiàn)了很多‘嘗試性’的反應(yīng)，但最終只有一小部分繼續(xù)進(jìn)行并生成了穩(wěn)定的產(chǎn)物,。關(guān)于這個現(xiàn)象,，我們?nèi)孕枰M(jìn)行更多的研究來弄清楚其中的細(xì)節(jié)?！?/p>

“對于理論化學(xué)家來說,，這是一條很有意思的途徑。因為它開辟了一個全新的研究領(lǐng)域,?！眮碜許LAC和SUNCAT的研究合作者弗蘭克·佩德森（Frank Abild-Pedersen）這樣說到。

另一位研究合作者,、SUNCAT主任延斯·諾斯特羅克斯科夫（Jens Nostrokerskov）說：“這個研究成果相當(dāng)重要,，它讓我們直接窺探到了科學(xué)基礎(chǔ)的規(guī)律，也讓我們能夠進(jìn)行新的催化劑設(shè)計,?！保ň庉嫞捍扒糜辏?/p>

視頻：研究者介紹觀察到化學(xué)反應(yīng)成鍵過程的成果

論文原文：

Probing the transition state region in catalytic CO oxidation on Ru

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