在很長一段時間內，人們對化學鍵和成鍵過程的認識都來自理論和公式計算，不過隨著技術手段的進步，現在直接從實驗中觀測它們已經成為了可能。
在2013年，科學家們已經通過原子力顯微鏡看到了共價鍵的結構。而現在，斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速實驗室的科學家們又取得了一項新突破：他們利用X射線雷射觀察到了化學反應中形成化學鍵的過渡狀態。這一研究成果近日刊登在《科學快訊》（Science Express）上。
由於化學反應中的過渡態化合物的存在時間非常短，直接通過實驗方法觀測它們在之前很長一段時間內都被認為是不可能的任務。而現在的這一研究成果為化學領域帶來了重要的突破。
SLAC實驗室及斯坦福表面科學與催化中心（SUNCAT）教授安德斯•尼爾森（Anders Nilsson）是這項研究的領導者。他表示：「這是所有化學領域的核心，我們視之為『聖杯』，因為它控制著一切化學反應。在化學反應過程中的任何一個時刻，處於這種過渡狀態的分子都太少了，所以我們以前一直認為這種現象是無法直接觀察到的。」
最終，是超亮、超快的脈衝射線打破了這種不可能。這項實驗使用了SLAC的直線加速器相干光源（LCLS）。這是一種亮度非常高的X射線脈衝，它的波長足夠短，可以進行分子、原子尺度的成像，它的脈衝頻率也足夠快，它就像飛快閃動的閃光燈，可以捕捉不斷運動中的原子和分子。
研究人員使用LCLS研究了一個發生在固體催化劑表面的反應，類似的反應也發生在汽車的尾氣淨化器當中：固體催化劑表面「抓取」一氧化碳分子和氧原子並使它們相鄰排列，使它們更容易配對生成二氧化碳分子。
在SLAC的試驗中，研究人員將一氧化碳與氧原子附著在金屬釕為催化劑的表面，並通過一束雷射脈衝引發其反應。研究小組通過LCLS的X射線脈衝得以觀察到此反應的過程，弄清楚了這些原子周圍電子的重新排列情況——這一不易察覺到的微妙過程發生在幾飛秒內（飛秒為10-15次方秒）。
「首先氧原子活化，隨後不久一氧化碳分子也被激活」，尼爾森說到，「它們開始振動，在約一萬億分之一秒後，它們開始相互碰撞並轉變為過渡態化合物。」
研究人員們驚訝於能觀察到相當多的進入過渡狀態的反應物，同樣他們也發現，只有很小的一部分過渡態化合物真正順利地形成了穩定的二氧化碳分子。剩下的大部分都沒能完成反應，而是再次分開成為反應物。
「這就像你往山坡上滾球一樣，很多達到山頂的球之後又滾回了最初的位置，」尼爾森表示。「我們觀察到，在這個過程中出現了很多『嘗試性』的反應，但最終只有一小部分繼續進行並生成了穩定的產物。關於這個現象，我們仍需要進行更多的研究來弄清楚其中的細節。」
「對於理論化學家來說，這是一條很有意思的途徑。因為它開闢了一個全新的研究領域。」來自SLAC和SUNCAT的研究合作者弗蘭克•佩德森（Frank Abild-Pedersen）這樣說到。
另一位研究合作者、SUNCAT主任延斯•諾斯特羅克斯科夫（Jens Nostrokerskov）說：「這個研究成果相當重要，它讓我們直接窺探到了科學基礎的規律，也讓我們能夠進行新的催化劑設計。」
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直線加速器相干光源示意圖