X射线激光揭示了运动中的超快化学

此插图显示了在被光打开的环形分子中，以每秒千分之几秒的间隔发生的形状变化。分子运动是使用SLAC的直线加速器相干光源X射线激光测量的。彩色图表显示了分子变化的理论模型，可与实际结果很好地同步。背景中的正方形代表LCLS X射线检测器中的面板。（SLAC国家加速器实验室）

SLAC国家加速器实验室的研究人员使用SLAC的Linac相干光源X射线激光仪测量了环形气体分子如何破裂和散开的原子级细节。

科学家们首次追踪到超快的结构变化，这种变化以每秒几千亿分之一秒的速度捕获，因为环状气体分子突然破裂并散开。环形分子在生物化学中是丰富的，并且也构成了许多药物化合物的基础。该研究指出了对基于气体的化学反应进行大量实时X射线研究的途径，这对生物过程至关重要。

能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员将这一基本开环反应的全部步骤汇编为计算机动画，以提供结构变化的“分子电影”。

在美国能源部科学用户办公室SLAC的直线加速器相干光源上进行的这项开创性研究标志着在精确跟踪飞秒级化学反应过程中气相分子如何转变方面的重要里程碑。飞秒是十亿分之一秒的百万分之一。

“这实现了LCLS的承诺：SLAC科学家Mike Minitti与布朗大学的Peter Weber合作领导了这项实验，在您的眼前发生了前所未有的化学反应。结果显示在《物理评论快报》中。

Minitti说：“ LCLS改变了我们，改变了游戏规则，使我们能够在创纪录的时间范围内探究此反应和其他反应，直至单个原子的运动。”可以使用相同的方法来研究更复杂的分子和化学。

该视频介绍了SLAC国家加速器实验室的X射线自由电子激光直线加速器相干光源如何首次提供了对环状气体分子解散后如何在十亿分之一秒的百万分之一秒中解散的直接测量结果。被光劈开。依次编译测量结果，以形成显示分子运动的计算机动画的基础。（SLAC国家加速器实验室）

他补充说，气体中的自由漂浮分子在LCLS上用独特的明亮X射线研究时，可以提供结构变化的非常清晰的视图，因为气体分子之间相互缠绕或被阻塞的可能性较小。“到现在为止，充其量，使用其他X射线源来学习有关气体中如此快速的分子变化的任何有意义的东西，充其量还是非常有限的。”

行动化学的新观点

这项研究的重点是1,3-环己二烯（CHD）的气体形式，这是一种从松油中提取的环状小有机分子。环形分子在许多生物和化学过程中起着关键作用，这些过程是由化学键的形成和破坏驱动的。实验追踪了环状分子在两个原子之间的键断裂后如何解构，转化为几乎线性的分子，称为己三烯。

Minitti说：“这个分子实际上是如何打开的，这是一个长期存在的问题。”原子可以采取不同的路径和方向。最终跟踪这一过程将显示化学反应是如何真正进行的，并且可能会导致理论和模型的改进。

分子电影的制作

在实验中，研究人员用超快的紫外激光脉冲激发了CHD蒸气，从而开始了开环反应。然后他们以不同的时间间隔发射LCLS X射线激光脉冲，以测量分子如何改变其形状。

研究人员整理并整理了超过100,000种类似X射线频闪的散射X射线测量结果。然后，他们将这些测量结果与计算机模拟相匹配，以显示分子在打开后的前200千亿分之一秒中最可能解散的方式。爱丁堡大学的团队成员亚当·基兰德（Adam Kirrander）进行的模拟显示了原子的运动和位置的变化。

动画中的每个间隔代表每秒25万亿分之一­秒–比用于显示电视节目的典型每秒30帧速率快约1.3万亿倍。

韦伯说：“以如此令人难以置信的时间分辨率观看分子运动是一项了不起的成就。”

气体样品被认为是本研究的理想选择，因为可以将来自任何相邻CHD分子的干扰降到最低，从而更容易识别和跟踪单个分子的转化。LCLS X射线脉冲就像台球游戏中的母球一样，从分子的电子中散射出来，到达一个位置敏感的探测器上，该探测器投射了分子内原子的位置。

成功进行更复杂研究的测试案例

Minitti说：“这项研究可以作为较大分子的基准和跳板，可以帮助我们探索和理解甚至更复杂和重要的化学。”

出版物：硕士Minitti等人，“成像分子运动：飞秒X射线散射的化学反应，物理”。莱特牧师114，255501 – 2015年6月22日发布； doi：10.1103 / PhysRevLett.114.255501