爆炸分子快照

江苏激光联盟导读：

据悉，欧洲XFEL(世界上最大的x射线激光器)的一个国际研究小组曾利用“极端”的方法拍摄复杂分子的照片。

科学家们利用该设备产生的超亮x射线光，以原子分辨率拍摄气相碘吡啶分子的快照。x射线激光导致分子爆炸，图像由碎片重建。“多亏了欧洲XFEL的极其强烈和特别短的x射线脉冲，我们能够用这种方法和分子的大小制作出前所未有的清晰度的图像。”来自欧洲XFEL的Rebecca Boll报道说，她是这项实验的首席研究员，也是科学杂志《自然物理》的两名第一作者之一，该研究小组在该杂志上描述了他们的研究结果。到目前为止，使用这种实验技术还无法获得如此清晰的复杂分子图像。

碘吡啶的Coulomb爆炸成像(艺术家观点)。来源:Goethe University Frankfurt am Main

这些图像是记录分子影片的重要一步，研究人员希望将来能够利用这些图像以高分辨率观察生化和化学反应或物理变化的细节。预计这些影片将刺激各个研究领域的发展。"我们使用的方法对于研究光化学过程特别有希望。"来自欧洲XFEL和法兰克福歌德大学的Till Jahnke解释说，他是进行这项研究的核心团队成员。这种由光引发化学反应的过程在实验室和自然界中都非常重要，例如在光合作用和眼睛的视觉过程中。"分子电影的发展是基础研究。"Jahnke解释说，希望从中获得的知识可以帮助我们在未来更好地理解这些过程，并为医学，可持续能源生产和材料研究开发新的想法。

在称为库仑爆炸成像的方法中，高强度和超短X射线激光脉冲将大量电子从分子中敲出。由于剩余的带正电的原子之间的强烈静电斥力，分子在几飞秒内爆炸 - 十亿分之一秒的百万分之一。然后，单个电离片段飞散并由探测器记录。

"到目前为止，库仑爆炸成像仅限于由不超过五个原子组成的小分子，"该研究的另一位第一作者DESY自由电子激光科学中心（CFEL）的Julia Schäfer解释说。"通过我们的工作，我们已经打破了这种方法的这个限制。碘吡啶（C5H4IN）由11个原子组成。

2-碘吡啶和2-碘吡嗪的CEI。

爆炸分子图像的电影工作室是欧洲XFEL的SQS（小型量子系统）仪器。专门为这些类型的研究开发的COLTRIMS反应显微镜（REMI）应用电场将带电片段引导到检测器上。确定碎片撞击的位置和时间，然后用于重建它们的动量 - 质量和速度的乘积 - 离子撞击探测器。"这些信息可以用来获得有关分子的细节，在模型的帮助下，我们可以重建所涉及的反应过程和过程，"DESY研究员Robin Santra说，他领导了这项工作的理论部分。

库仑爆炸成像特别适用于跟踪化学反应中的氢等非常轻的原子。该技术能够对气相中的单个分子进行详细研究，因此是生产分子薄膜的补充方法，以及其他欧洲XFEL仪器为液体和固体开发的分子薄膜。

2-碘吡啶分子的时变几何和电荷演化，由计算得到的XMDYN轨迹生成。

"我们希望详细了解基本的光化学过程。在气相中，没有其他分子或环境的干扰。因此，我们可以使用我们的技术来研究单个孤立的分子，"Jahnke说。博尔补充说，他们"正在努力研究分子动力学作为下一步，以便可以将单个图像组合成真正的分子电影，并且已经进行了这些实验中的第一个。

2-碘吡啶不同符合通道碳原子的电荷态分布。

来源：X-ray multiphoton-induced Coulomb explosion images complex singlemolecules, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01507-0. www.nature.com/articles/s41567-022-01507-0，Journalinformation: Nature Physics