摘要：在 8 月 20 日发表在《物理评论快报》杂志上的这项新研究中，研究人员通过成像价电子（原子外壳中的电子）在氨分子破裂时如何移动，完成了这一令人难以置信的壮举。

科学家们首次可视化了电子在化学反应过程中的行为方式，这可能有助于减少未来化学中不需要的副产物。

X 射线从氨分子周围的价电子散射（橙色和绿色形状）并被探测器捕获（背景）的插图。（图片来源：Ian Gabalski/Stanford/SLAC 国家加速器实验室）

科学家们首次使用超快 X 射线闪光对单个电子在化学反应过程中移动时进行直接图像拍摄。

在 8 月 20 日发表在《物理评论快报》杂志上的这项新研究中，研究人员通过成像价电子（原子外壳中的电子）在氨分子破裂时如何移动，完成了这一令人难以置信的壮举。

几十年来，科学家们一直使用超快 X 射线散射来对原子及其化学反应进行成像。散射使用超短的 X 射线爆发来冻结作用中的微小、快速移动的分子。X 射线具有完美的波长范围，可以捕捉原子尺度的细节，这就是为什么它们是成像分子的理想选择。

然而，X 射线仅与原子核附近的核心电子强烈相互作用。价电子——原子中最外层的电子，也是实际负责化学反应的电子——被隐藏起来。

加巴尔斯基说，如果科学家能够了解价电子在化学反应过程中如何移动，就可以帮助他们设计出更好的药物、更清洁的化学过程和更高效的材料。

首先，该团队需要找到合适的分子。原来是氨。

“氨有点特别，”加巴尔斯基说。“因为它大部分是轻原子，所以没有很多核心电子可以淹没来自外部电子的信号。所以我们有机会真正看到价电子。

价电子在不同轨道上运动的原子的图示。（图片来源：KTSDesign/SCIENCEPHOTOLIBRARY via GettyImages）

该实验是在 SLAC 国家加速器实验室的直线加速器相干光源进行的，该设施可产生强烈的短 X 射线脉冲。首先，该团队给氨分子施加微小的紫外线震动，使其中一个电子“跳跃”到更高的能级。分子中的电子通常保持低能态，如果它们被推到更高的能量状态，就会引发化学反应。然后，研究人员用 X 射线束记录了当分子开始分裂时电子的“云”是如何移动的。

在量子物理学中，电子不被视为围绕原子核运行的小球。相反，它们以概率云的形式存在，“更高的密度意味着你更有可能看到电子，”加巴尔斯基解释道。这些云也称为轨道，每个云都有不同的形状，具体取决于电子的能量和位置。

为了绘制这个电子云的地图，该团队运行了量子力学模拟来计算分子的电子结构。“所以现在我们用于此类计算的这个程序开始了，它可以弄清楚电子在分子周围的轨道上填充的位置，”加巴尔斯基说。

X 射线本身就像波一样，当它们穿过电子的概率云时，它们会向不同的方向散射。“但随后这些 X 射线可能会相互干扰，”加巴尔斯基说。通过测量这种干涉图案，该团队重建了电子轨道的图像，并观察了电子在反应过程中的移动方式。

他们将结果与两个理论模型进行了比较：一个包含价电子运动，另一个不包含。数据与第一个模型相匹配，证实他们已经捕捉到了电子在行动中的重排。

研究人员希望使该系统适应更复杂的 3D 环境，以更好地模拟真实组织。这将使其更接近再生医学的应用，例如按需生长或修复组织。

来源：曹雨晴讲科学