質子轉移反應是一個具有重要意義的過程，在核工程、空間旅行和環境修復等領域都有廣泛的應用，但一般的超快方法基本上無法觀測到這個過程。近日，美國能源部阿貢國家實驗室領導的國際團隊利用超快X射線自由電子雷射脈衝捕獲了液態水電離後的超快質子轉移過程。 相關論文1月10日發表在《科學》雜誌上。
「我們在離子液態水中見證了形成羥基自由基的最快的化學反應。」論文通訊作者、阿貢國家實驗室的研究員Linda Young說，「羥基自由基相當重要，它可以擴散到有機體中，破壞DNA和RNA等大分子。」通過了解羥基自由基形成的時間尺度，人們可以更深入地理解液態水的輻射分解，並最終制定策略抑制這一可能導致輻射損害的關鍵步驟。
當能量充足的輻射擊中水分子時，會引發一系列瞬時反應。首先，輻射會射出一個電子，留下一個帶正電的水分子(H2O+)。H2O+的生命極其短暫，幾乎不可能在實驗中直接觀察到。在萬億分之一秒的時間內，H2O+將一個質子交給另一個水分子，生成水合氫離子和羥基自由基。雖然科學家們早在20世紀60年代就發現了這種反應，但直到最近，通過由直線加速器相干光源(LCLS)提供的超快X射線探測器，研究人員才觀察到了剩餘的正電荷離子。
SLAC國家加速器實驗室的儀器科學家Bill Schlotter說：「捕捉水的關鍵是LCLS的超短X射線脈衝。通過調整這些X射線脈衝的『顏色』，我們可以區分參與其中的特定離子和分子。」LCLS提供的「定格」技術讓研究人員有機首次觀察到羥基自由基的時間演化。
根據Young的說法，雖然研究人員也希望能夠分離出H2O+的光譜特徵，但它的壽命太短，只能從OH光譜中推斷出它的存在。超快的質子轉移產生了羥基自由基，從而產生一種特殊的光譜特徵，證明羥基自由基的產生，這正是H2O+最開始生成的「時間戳」。Young認為，這兩種物質的光譜是可以得到的，因為它們存在於一個「水窗口」中，那裡的液態水不吸收光。
德國DESY自由電子雷射科學中心的Robin Santra領導了理論研究，他說：通過超快X射線吸收，我們可以探測到電離和質子轉移位點附近的結構動力學，包括電子和原子核的運動。在僅僅50萬億分之一秒的時間裡，周圍的水分子就會迅速移向離子化的H2O+，當距離足夠近時，水分子會抓住H2O+的一個質子，變成水合氫離子，並產生羥基自由基。」
Young說：「這項研究的主要成果是建立了一種觀察水中質子轉移反應的方法，並開發了一種清潔的羥基自由基探針。現在我們不僅測量到了質子轉移的時間範圍，還在極短時間尺度上跟蹤了複雜系統中的羥基自由基。」
雖然研究最快的化學反應本身就很有趣，但了解羥基自由基的形成還有其他實際意義，如核廢料處理、環境修復等。
原創編譯：花花 審稿：西莫 責編：雷鑫宇
期刊來源： 《科學》
期刊編號： 0036-8075
原文連結：https://phys.org/news/2020-01-scientists-ultrafast-birth-radicals.html
中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。轉載請註明來源。