超快成像技术揭示臭氧破坏分子如何对光作出反应
研究人员首次观察到溴仿在受到紫外线 (UV) 脉冲照射后，在不到万亿分之一秒的时间内如何重新排列其原子。成像技术捕捉到了长期预测的途径，即这种破坏臭氧层的分子在与光相互作用时改变其结构。太阳紫外线的能量会引发地球上的许多化学过程。要理解、利用或减轻这些通常超快的化学反应造成的损害，了解它们在原子层面上的工作原理至关重要。
美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）高级科学家奥利弗·格斯纳 (Oliver Gessner) 表示： “电子和原子如何相互作用，从而引发某种化学反应？溴仿是回答这些问题的一个著名模型系统。”
数十年来，世界各地的化学家一直在研究三溴甲烷的紫外线光化学。这种天然化合物可以分解地球大气中的臭氧，并由海洋中的浮游植物和海藻自然产生。
理论上说，溴在紫外线照射下会经历两个不同的过程：在解离过程中，一个溴原子脱离分子的其余部分；在异构化过程中，原子重新排列成不同的构型或异构体。
伯克利实验室化学科学部原子、分子和光学科学项目负责人格斯纳表示：“有人声称观察到了这种异构体的迹象，但持续时间太短，无法证实。”此外，不同的理论对遵循每条路径的三溴甲烷的比例有着截然不同的预测。
在《美国化学学会杂志》上发表的一项研究中，格斯纳和他的同事进行了一项实验，不仅证实了这种异构体的形成，而且确定了溴仿分子中发生解离的比例以及形成异构体的比例。
研究人员首先用超快的紫外线（波长为 267 纳米）激发溴仿气体分子，然后使用 SLAC 国家加速器实验室的相对论超快电子衍射仪器，用超短电子脉冲对激发的分子进行成像。该仪器是 SLAC 直线加速器相干光源的一部分，SLAC 是美国能源部科学办公室用户设施。
“分子在几百飞秒的时间内就能决定它们的去向，因此我们必须比这更快，”格斯纳说。
通过电子图像，研究人员可以测量溴仿分子内原子之间的距离，并追踪这些距离随时间的变化。分析显示，大约 60% 的溴仿分子在激发后的最初 200 飞秒内发生异构化，并持续 1.1 皮秒的实验时间。
格斯纳说：“看到这种异构体的构型与一些人预测的完全一致，真是令人兴奋。”其余 40% 的溴仿直接分解。
这一结果对理解溴仿光化学和一般的紫外线诱导光化学而言是重要的一步。“化学途径的顺序会影响最终的化学产品，”格斯纳说。
对长期存在争议的异构体形成率进行基准测量，可以完善预测这些反应及其产物的理论。此外，这项研究表明，超快技术可以明确回答异构体的形成速度和寿命问题。格斯纳说，这是一种非常强大的工具。
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