在灿烂的夏日,我们周围的阳光通过打破债券而破坏了。化学键。

紫外线破坏了我们皮肤细胞DNA中原子之间的联系,可能导致癌症。紫外线也会破坏氧键,最终产生臭氧,并从其他分子中切除氢,留下可能损伤组织的自由基。

加州大学伯克利分校的化学家使用一些最短的激光脉冲 - 一个五分之一秒 - 现在已经能够解决导致化学键爆炸的逐步过程,基本上是制作电影这件事。在键断裂之前,它们可以跟随电子在分子中的各种状态下犹豫不决地反弹,并且原子分开。

上周在“ 科学 ”杂志上发表的这项技术将帮助化学家理解并可能操纵由光,即所谓的光化学反应刺激的化学反应。特别是化学家和生物学家,有兴趣了解大分子如何在不破坏任何键的情况下吸收光能,就像眼睛中的分子吸收光,给予我们视力或植物中的分子吸收光进行光合作用一样。

“考虑眼睛中的一种分子,视紫红质,”第一作者,加州大学伯克利分校的博士生Yuki Kobayashi说。“当光照射到视网膜上时,视紫红质会吸收可见光,我们可以看到因为视紫红质的结合变化。”

事实上,当光能被吸收时,视紫红质中的键会扭曲而不是断裂,从而触发导致光感的其他反应。小林和他的加州大学伯克利分校的同事,教授Stephen Leone和Daniel Neumark开发的技术可以用来详细研究这种光吸收在分子通过称为避免交叉或锥形交叉的激发态后如何导致扭曲。

为了防止DNA中的键断裂,“你想将能量从解离重新定向到只是振动热。对于视紫红质,你想要将能量从振动转向顺式反式异构化,这是一种扭曲,”Kobayashi说。“这些化学反应的重新定向在我们周围无处不在,但我们之前没有看到它们的实际时刻。”

快速激光脉冲

阿秒激光 - 阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一 - 已经存在了大约十年,并被科学家用来探测非常快速的反应。由于大多数化学反应迅速发生,这些快脉冲激光是“看到”当键断裂和/或重新形成时形成化学键的电子如何表现的关键。

Leone是化学和物理学教授,他也是一名实验主义者,也使用理论工具,是使用阿秒激光探测化学反应的先驱。他在加州大学伯克利分校的实验室里有六个这样的X射线和极紫外(统称为XUV)激光器。

使用一种最简单的分子,一溴化碘(IBr) - 一个与一个溴原子相连的碘原子 - 加州大学伯克利分校团队用8飞秒的可见光脉冲击中分子,激发其最外层电子之一然后用阿秒激光脉冲探测它们。

以1.5飞秒(飞秒为1000阿秒)的定时间隔脉冲阿秒XUV激光器,就像使用频闪灯一样,研究人员可以检测到导致分子分裂的步骤。高能量XUV激光器能够探测相对于分子内部电子的激发能态,这通常不参与化学反应。

“当你接近十字路口时,你可以制作一部关于电子通路的电影,以及它沿着一条路径或另一条路径发生的可能性,”Leone说。“我们正在开发的这些工具可以让你看到固体,气体和液体,但你需要更短的时间尺度(由阿秒激光提供)。否则,你只看到开始和结束,你不知道是什么其他事发生在两者之间。“

实验清楚地表明,IBr的外部电子一旦被激发,就会突然看到它们可能存在的各种状态或位置,并在决定采取哪条路径之前探索其中的许多。然而,在这个简单的分子中,所有路径都会导致电子沉积在碘或溴上,两个原子分开。

在团队希望即将探索的较大分子中,激发的电子将有更多的选择,一些是能量进入扭曲的部分,如视紫红质,或分子振动而没有分子分裂。

“在生物学方面,事实证明,进化选择的东西在吸收能量方面非常有效,而且没有破坏关系,”Leone说。“当你的化学反应出现问题时,就会发现疾病出现了。”