科學(xué)家在環(huán)形氣體分子破裂和瓦解時，首次追蹤到飛秒級超速的結(jié)構(gòu)性變化。環(huán)形分子在生物化學(xué)中很豐富，也是許多化合藥物的基礎(chǔ)成分。該研究指明了氣體化學(xué)反應(yīng)實時x射線的研究方向，這對生物過程至關(guān)重要。

圖片說明：在一個環(huán)形分子被光打破的飛秒級瞬間，分子形狀會發(fā)生改變。使用斯坦福直線加速器中心的x射線激光測量分子運動；彩色圖顯示了一個理論模型的分子變化,其結(jié)果與實際同步；背景中的方塊代表板中的一個拼箱x射線探測器。

　　美國能源部國家斯坦福直線性加速器中心（StanfordLinearAcceleratorCenter，SLAC）實驗室的研究人員編譯出這個基本的開環(huán)反應(yīng)到計算機動畫序列的完整步驟，該動畫提供一個結(jié)構(gòu)性變化的“分子電影”。

　　這個先驅(qū)性的實驗在斯坦福直線加速器中心的直線性連續(xù)加速器光源研究所（美國能源部用戶設(shè)備科學(xué)辦公室）完成，對于精確跟蹤氣體分子在化學(xué)反應(yīng)中飛秒級的變化，樹立了重要的里程碑。

　　斯坦福直線加速器中心的科學(xué)家MikeMinitti，曾與布朗大學(xué)的PeterWebe合作過，他說道：“這顯示了直線性連續(xù)加速器光源(LinacCoherentLightSource)的一項特性:一種從未見過的化學(xué)反應(yīng)方式就會在你眼前出現(xiàn)。”Minitti表示：“直線性連續(xù)加速器光源就像是一個游戲規(guī)則的改變者，它使我們在飛秒級的速度上觀察化學(xué)變化，甚至能觀察到單個原子的運動。”這種方法還適用于更復(fù)雜的分子和化學(xué)變化。

　　利用斯坦福直線加速器中心的X射線研究氣體中自由懸浮的分子，可以看到化學(xué)變化中的清晰結(jié)構(gòu)，這是因為氣體分子幾乎不與氣體分子或結(jié)構(gòu)連接。他還補充道：“直到現(xiàn)在，利用X射線研究快速的氣體分子變化仍然受到限制。”

　　化學(xué)運動的新審視

　　該研究針對由1,3-環(huán)己二烯（1,3-cyclohexadiene，CHD）組成的氣體分子，它是一個來自松樹油的小型環(huán)形有機分子。環(huán)形分子在許多生物和化學(xué)過程中扮演關(guān)鍵角色，這些反應(yīng)過程實質(zhì)在于化學(xué)鍵的形成和破壞。該實驗主要追蹤環(huán)形分子在兩原子間的化學(xué)鍵破壞后如何分解變成近線性分子的過程。

　　Minitti表示：“對于分子的展開過程，長久以來一直存在爭議。原子可以采取不同的路徑和方向。跟蹤這一點最終顯示化學(xué)反應(yīng)的過程,而且可能會促使理論和模型的改進。”

　　分子電影的制作

　　在實驗中，研究人員利用超快的紫外激光脈沖啟動開環(huán)反應(yīng)，以此激發(fā)環(huán)己二烯。

　　然后，他們又利用斯坦福直線加速器中心的X射線在不同的時間間隔內(nèi)測量分子的形狀變化過程。

　　研究人員序?qū)?0萬多個類似頻閃燈散射x射線的測量進行了編制和排列。然后,他們與這些測量結(jié)果與計算機模擬匹配，結(jié)果揭示了在分子結(jié)構(gòu)打開后的最初200分秒內(nèi)最可能的分解方式。該仿真由愛丁堡大學(xué)（UniversityofEdinburgh）研究人員AdamKirrander完成，結(jié)果展示了原子的位置和運動變化過程。

　　動畫的每個區(qū)間時長為25飛秒，大約是電視30幀每秒速度的1.3萬億倍。

　　Weber表示：“這樣的分辨率對于觀察分子運動是一個巨大的進步。”

　　氣體樣本對于這個研究來說是理想樣本，這是因為，任意兩相鄰環(huán)己二烯分子間的間隔被減少，使得更容易區(qū)分和追蹤單個分子運動。斯坦福直線加速器中心的x射線脈沖就像臺球游戲中的母球，使分子中的電子散射至位敏探測器，它可以規(guī)劃分子中原子的位置。

　　應(yīng)用與更復(fù)雜研究的成功測試用例

    Minitti表示：“本研究可以作為大分子的基準(zhǔn)和平臺，且有助于我們研究理解更復(fù)雜、更重要的化學(xué)變化。”