實時觀察分子放鬆的過程

設計下一代高效能量轉換設備以為我們的電子產品供電和加熱家庭，需要詳細理解分子在光誘導化學反應過程中的運動和振動。來自美國能源部洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員如今已經可視化了甲烷分子在吸收光後、失去一個電子並隨後放鬆過程中化學鍵的扭曲變化。這項研究提供了分子如何對光做出反應的見解，最終將對開發新的化學反應控制方法大有裨益。

在這項研究中，科學家們利用先進的成像技術捕捉了甲烷分子在光照射後產生的瞬時動態，揭示了在分子失去電子的過程中，化學鍵如何發生變形及其隨後的恢復。這些觀察不僅增強了我們對分子響應光的理解，而且可能為未來的材料科學、光催化和能源轉換技術的發展鋪平道路。

通過深入探究這些微觀過程，科學家們希望能夠設計出新的化學反應策略，從而提高能量轉換設備的效率，並推動清潔能源技術的創新。這項研究的結果不僅有助於理解分子動力學，還可能在解決當前環境挑戰及促進可持續能源的應用上發揮重要作用。

研究人員通過觀察分子在極快時間尺度上對光的反應，能夠追蹤在化學反應中電子的運動。“關鍵問題是分子如何在不破裂的情況下耗散能量，”伯克利實驗室的物理學家、該研究在《科學》期刊上報導的主作者Enrico Ridente表示。這意味著需要研究在光激發下過剩能量如何在分子內部重新分配，當電子和原子核隨著分子放鬆至平衡狀態而移動時。

探究這些微細的運動意味著對發生在比十億分之一秒更快的時間尺度上的過程進行觀察。數十年來，研究人員依賴理論來描述過剩能量如何影響經光激發而產生的分子鍵的對稱性——但不會直接破壞這些鍵。這一理論預測了在電子位置發生變化的同時，單個原子之間的鍵長和鍵角應如何改變，以及在此過程中分子應採取的中間結構。

現在，利用伯克利實驗室化學科學部的超快X射線光譜技術，Ridente和他的同事觀察了離子化甲烷分子隨時間演變的結構。

“甲烷離子是一個理想系統來回答這一問題，因為它們在被光激發時不會分裂，”Ridente表示。

這項研究的成果對於理解化學反應過程中能量耗散的機制具有重要意義，並可能為開發新材料和技術提供基礎。隨著對分子反應過程的深入了解，科學家們將能夠更好地設計和調整化學反應，推動能源和材料科學的發展。

通過首先使用激光剝去中性甲烷分子的一個電子，然後對剩餘的離子進行超快X射線光譜快照，研究人員收集了一系列時間序列的光譜信號。這些信號揭示了最初對稱的形狀在十飛秒（femtosecond，1飛秒等於一千兆分之一秒）的過程中如何變形，這是對長期研究的現象——Jahn-Teller變形的觀測證據。隨後的長時間觀測顯示，在另外58飛秒內，變形的形狀以剪刀狀運動協同振動，並透過結構幾何變化的其他振動重新分布能量。

“多虧了這些測量和來自理論的理解，我們首次能夠解析變形的完整演變過程，”伯克利實驗室的化學家、該《科學》期刊論文的資深作者Stephen Leone表示。

研究人員使用位於伯克利實驗室的國家能源研究科學計算中心（NERSC）的Cori和Perlmutter系統進行計算，以確認他們對分子運動的測量結果。

“我們現在能夠解釋分子在失去電子後如何變形，以及電子的能量如何對這些變化作出響應，”伯克利實驗室的研究生、該研究的主要理論作者Diptarka Hait說。

這項研究證明了利用X射線技術研究超快分子動力學的可行性。甲烷作為一種基礎且簡單的分子，發生了預測中的最基本類型的變形，但其具有比以往理解更豐富和複雜的動力學。“這項研究為研究更複雜系統和其他類型的變形打開了大門，”Ridente表示。對電子和原子核動態的深入洞察可以促進新型能源轉換裝置和光催化應用的創新。

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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