科學家首次看到化學鍵形成過程

2020-11-25 人民網

原標題：科學家首次看到化學鍵形成過程

　　科技日報訊 利用美國能源部斯坦福線性加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室的X射線雷射，科學家第一次看到了化學鍵形成的過渡狀態：兩個原子開始形成一個弱鍵，處在變成一個分子的過程中。相關論文發表在2月12日的《科學快遞》上。

　　長期以來，人們一直認為這是不可能的。這一基礎性進步將產生深遠影響，可以幫助人們理解化學反應是如何發生的、設計釋放能量的反應、開發新產品及如何更有效地給作物授粉。「這是所有化學最核心的部分，可以看作是一個聖杯，因為它控制著化學反應。」該研究負責人、SLAC/斯坦福SUNCAT界面科學與催化劑中心和瑞典斯德哥爾摩大學教授安德斯·尼爾森說，「但由於在任何時刻，處在這種過渡狀態的分子都如此之少，人們認為我們永遠無法看到它。」

　　研究小組觀察的反應與汽車尾氣中一氧化碳（CO）的催化中和反應是一樣的：反應在催化劑表面發生，催化劑能抓住CO和氧原子，讓它們彼此靠近，更容易地結合形成二氧化碳（CO2）。SLAC的線性相干光源（LCLS）上明亮的X射線雷射脈衝足夠短也足夠快，能照亮原子和分子，讓人們看到前所未見的化學反應世界。

　　在實驗中，研究人員把CO和O附著在一種釕催化劑表面，用光學雷射脈衝驅動反應進行。脈衝將催化劑加熱到2000開氏度，使附在上面的化學物質不斷振動，大大增加了它們碰撞結合在一起的機會。利用LCLS的X雷射脈衝，研究人員能探測到原子的電子排布的變化，即化學鍵形成的微細信號，時間僅有幾飛秒（千萬億分之一秒）。

　　「首先是氧原子被激活，隨後一氧化碳被激活。」尼爾森說，「它們開始振動，一點點地來回移動，然後，大約在一萬億分之一秒後，它們開始碰撞，形成了這些過渡狀態。」

　　他們驚訝地發現，許多反應物都進入了過渡態，但只有一小部分形成了穩定的二氧化碳，其餘的又分開了。尼爾森說：「就好像你在山坡上向上彈球，大部分球上到山頂又滾下來。我們看到許多球在不斷努力，但只有很少反應能持續到最終產物。要詳細理解在這裡所看到的，我們還要做更多研究。」

　　瑞典斯德哥爾摩大學亨利克·奧斯託姆教授領導的研究小組做了如何用光學雷射引發反應的最初研究工作，在斯德哥爾摩教授拉斯·皮特森的領導下計算了理論光譜。在實驗中，理論起著關鍵作用，預測著將會看到的情況。

　　「這是極為重要的，讓我們能深入理解法則的科學基礎，而這些法則能幫我們設計新的催化劑。」SUNCAT主管、論文合著者詹斯·諾斯科夫說。（常麗君）

　　左圖 利用SLAC國家加速器實驗室的X射線雷射進行實驗，研究人員首次拍攝到化學鍵形成過程中的過渡狀態：原子形成一種不確定的鍵。反應物是一氧化碳分子（左邊，由一個碳原子（黑）和一個氧原子（紅）構成）和它右邊的一個氧原子。它們附著在釕催化劑表面，催化劑讓它們彼此靠近，更容易反應。發射一束光學雷射脈衝，反應物振動並互相碰撞，碳原子和氧原子形成一個過渡狀態的鍵（中間）。生成的二氧化碳分子脫離催化劑表面飄走（右上）。線性相干光源（LCLS）X射線雷射能在探測到這些進行中的反應，並生成動畫視頻。

(來源:科技日報)

相關焦點

  • 真奇妙:科學家首次觀察到化學鍵的形成過程
    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。
  • 科學家首次捕捉到原子化學鍵形成和斷裂視頻
    據外媒報導，原子以形成化學鍵和分裂化學鍵而聞名，這一過程對宇宙萬物來說至關重要。但因為它發生在非常小的範圍內，所以很難對其展開研究和記錄。現在，來自諾丁漢大學和烏爾姆大學的研究人員首次通過視頻捕捉到了原子的形成和化學鍵的斷裂。
  • 科學家首次實驗觀測到化學鍵的產生過程
    科學家首次實驗觀測到化學鍵的產生過程明亮快速的雷射脈衝實現了不可能這一實驗是在SLAC國家加速器實驗室的直線加速器連貫光源
  • 人類首次捕捉到原子化學鍵形成和斷裂視頻及其物理意義
    作者：彭曉韜日期：2020.10.03 【文章摘要】：據報導：諾丁漢大學和烏爾姆大學的研究人員首次通過視頻捕捉到了原子化學鍵的形成和斷裂過程 一、視頻成果情況簡介據外媒報導，原子以形成化學鍵和分裂化學鍵而聞名，這一過程對宇宙萬物來說至關重要。但因為它發生在非常小的範圍內，所以很難對其展開研究和記錄。現在，來自諾丁漢大學和烏爾姆大學的研究人員首次通過視頻捕捉到了原子的形成和化學鍵的斷裂。
  • 科學家首次拍攝到令人驚嘆的原子單個化學鍵
    IBM科學家獲得的圖像能清晰觀察到單一化學鍵>科學家能夠通過這些圖片觀察到不同化學鍵的物理特性　　【搜狐科學消息】據國外媒體報導，IBM科學家最近宣布獲得了令人驚嘆的顯微圖像——通過這些圖片能夠觀察到原子間的單個化學鍵。這組科學家於2009年因捕獲到單個分子特寫鏡頭而聞名。　　他們是怎樣獲得如此令人驚嘆的微觀圖像的？通過原子力顯微鏡，科學家能夠通過兩種截然不同的機制捕獲到兩個圖像。
  • 科學家首次「看到」了氫鍵的相互作用
    八個月前，中國科學家使用原子力顯微鏡，成功首次對分子間的氫鍵進行了實空間觀測。近日，麻省理工學院和芝加哥大學的科學家使用新開發的超速飛秒(千萬億分之一秒)紅外光源，得以直接「看到」被氫鍵連接的分子之間的協調振動。這是人類第一次觀察到這種在分子水平上隨處可見的化學作用。
  • 「看見」系列之三:化學鍵長什麼樣
    1、離子鍵：是通過原子間電子轉移，形成正負離子，由靜電作用形成的。2、共價鍵：的成因較為複雜，路易斯理論認為，共價鍵是通過原子間共用一對或多對電子形成的，其他的解釋還有價鍵理論，價層電子互斥理論，分子軌道理論和雜化軌道理論等。
  • 科學家首次觀察到化學反應過渡態的形成
    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（更多閱讀：用原子力顯微鏡看見納米石墨烯的合成）。
  • 化學鍵理論(Theory of chemical bond)
    化學鍵理論是能夠回答原子怎樣形成分子或晶體，以及分子為什麼可以穩定存在等問題的理論。19世紀後期，人們在認識到分子由原子組成之後，在相互結合的兩個原子之間畫一根短線作為化學鍵的符號。20世紀物理學的進展，對化學的發展不論在理論上和實驗上都提供了巨大的支持和有力的手段，使化學學科因此進入了一個全新的發展階段。
  • 重新認識化學鍵
    用美國《科學新聞》雜誌的話說：「這一發現為許多工業化學反應開闢了新的可能性，並且重新書寫了成鍵規則。這是改變教科書的發現。」這項研究也被美國《化學化工新聞》雜誌評選為「2014年十大化學研究」之一。過渡金屬化合物的成鍵通常適用供體-受體成鍵模型。這種理論可以形象地形容為「一來一往」：配體拿出「閒置」電子提供給中心金屬原子的空軌道，形成σ鍵；中心金屬原子的部分電子則反饋進入配體的軌道，形成π鍵。這兩方面因素髮揮協同作用，從而形成穩定的配位鍵和穩定存在的配合物。這種成鍵理論向來只用來描述過渡金屬元素的成鍵過程，而近年來，它也逐漸被用於解釋一些主族元素化合物的成鍵機理。
  • 優化皮牛級力傳感器 科學家首次「看到」氫鍵
    優化皮牛級力傳感器 科學家首次「看到」氫鍵把「命門」掌握在自己手中透過實驗室的玻璃窗，可以看見三個穿藍色實驗服的年輕人正聚精會神地在顯微鏡下操作著一組微型工具。轟動科學界，首次直接「看到」氫鍵為何水在常溫下是液態；為何冰能浮在水上？「這都是氫鍵的神奇魔力。水分子中的兩個氫原子和一個氧原子由共價鍵連接，而水分子之間則是由一種極微弱的作用聯繫在一起，這就是氫鍵。」裘曉輝介紹說。
  • .| 當金屬團簇化學「邂逅」動態共價化學——利用動態共價鍵構建...
    >CCSChemistryCCS Chemistry是由中國化學會創辦的高水平旗艦新刊，面向全球科學家，收錄化學各領域高質量原創科技論文。框架化學使化學家們能夠通過強大的配位鍵和共價鍵將分子單元連結到晶體框架結構中，例如金屬有機框架MOF和共價有機框架COF。與共價鍵相比，配位鍵強度相對較弱， MOF材料在苛刻化學環境中很難維持其結晶性和多孔性，例如強鹼、強酸、沸水或含有高氧化/還原性物質的反應。與此相對，由動態共價鍵構築的COFs材料可以在苛刻的條件下保持穩定。
  • 化學鍵理論的建立發展過程,原子價的電子理論
    大家好，今天小編給大家介紹的是關於化學鍵理論的知識。下面就跟著小編一起來看看吧！化學鍵理論是在十九世紀後葉發展起來的「價」的概念的基礎上，與二十世紀原子結構理論相結合而建立起來的。各種元素的原子是以什麼力量和方式相結合而形成各種化合物的，這是化學理論的核心問題之一。
  • 新型化學鍵:電荷轉移鍵
    John Morrison Galbraith是Marist學院的化學副教授，他研究化學鍵，也就是把原子結合在一起製造分子的過程。你在高中時上過化學課嗎？你是否認為這是一個枯燥的靜態領域，充滿了很久以前就已經確定的既定事實？我做的研究表明，這些既定的 "事實 "中最基本的 "事實"——化學鍵的性質，現在正在受到質疑。
  • 我國科學家在國際上首次「看到」氫鍵
    本報北京11月22日電（記者齊芳）中科院國家納米科學中心22日宣布，該中心科研人員在國際上首次「拍」到氫鍵的「照片」，實現了氫鍵的實空間成像，為「氫鍵的本質」這一化學界爭論了80多年的問題提供了直觀證據。這不僅將人類對微觀世界的認識向前推進了一大步，也為在分子、原子尺度上的研究提供了更精確的方法。
  • 全新化學反應率先破壞最強化學鍵 可形成全新中間體
    全新化學反應率先破壞最強化學鍵 可形成全新中間體時間：2015-08-24 13:00   來源：每日科技網   責任編輯：毛青青 川北在線核心提示：全新化學反應率先破壞最強化學鍵 可形成全新中間體 　　科技日報北京8月23日電 (記者聶翠蓉)一種全新化學反應完全顛覆了傳統反應中先破壞最弱化學鍵的模式
  • 與原子同行,記錄化學鍵的產生和斷裂
    自從認知原子是世界的基本組成部分以來，科學家就一直試圖了解原子它們具體是如何以及為什麼彼此結合的。不管是一個以特定方式連接在一起的一組原子的分子，還是一塊材料或整個生物，最終，一切都由原子鍵合和鍵斷裂的方式控制。
  • 人類首次「看到」水合離子微觀結構
    本報北京5月14日電（中國青年報·中青在線記者邱晨輝）繼2014年獲得世界第一張亞分子級解析度的水分子圖像後，中國科學家再次取得突破，將解析度推向了氫原子極限，首次「看到」水合離子的原子級分辨圖像——這是水合離子概念提出100多年來，人類第一次在實空間直接「看到」水合離子的原子級圖像
  • 中國科學家在國際上首次「看到」氫鍵
    中科院國家納米科學中心22日宣布，該中心科研人員在國際上首次「拍」到氫鍵的「照片」，實現了氫鍵的實空間成像，為「氫鍵的本質」這一化學界爭論了80多年的問題提供了直觀證據。這為科學家理解氫鍵的本質，進而改變化學反應和分子聚集體的結構奠定了基礎，也為科學家在分子、原子尺度上的研究提供了更精確的方法。
  • 化學中物質的變化與化學鍵的變化
    通過學習我們知道，物質的變化分為物理變化和化學變化。化學鍵按照其成鍵微粒和相互作用的不同，分為離子鍵和共價鍵。那麼物質的物理變化和化學變化伴隨著怎樣的化學鍵變化，是不是化學鍵被破壞就一發生了化學變化？讓我們帶著這些問題，開始今天的分享。