理解的第一步是用眼看。圖片來源：Thomas Porostocky
化學家都是夢想家。每一天，他們都會設想分子在空間中飄浮著，原子用莊嚴的步伐跳著舞。他們在腦海中旋轉著這個結構，從多個角度審視它們，讓每個分子轉動著，直到一個化學鍵被彈開、另一個化學鍵卡入到位。
這樣的放映模式存在於幾乎所有化學家的腦海中，因為它們提供了一種化學反應如何發生的「視覺化」方式。「化學領域所有學科中貫穿的這種在頭腦中發生的實驗都是在想像原子的實時移動。」德國漢堡馬普學會物質結構與動態研究所及加拿大多倫多大學理化學家Dwayne Miller說，「這是化學領域所有人都會做的夢。」
在首次發現分子結構之後，化學家的這個夢已經做了150多年。現在，這些幻想正在變成現實。研究人員正在利用一系列技術在實驗室中導演分子電影，這些影片大多數是用令人難以置信的光或電子短脈衝解釋各個場景。其中一些依賴於掃描隧道顯微鏡（STMs）的原子精度，另一些則利用X光射線的強烈爆發揭示目標結構。
他們的目標是拍攝發生在皮秒（10-12秒）或飛秒（10-15秒）之間的事件，其間，原子僅發生了皮米級（一個氫原子的直徑約為100皮米）的移動。在這樣的解析度下，研究人員首次能夠直接觀測到一個分子在慢鏡頭下的蠕動、原子鍵振動和斷裂或是電子前後擺動。隨著這些技術變得越來越主流，其帶來的收穫將是巨大的。它們能夠提供產生更好催化作用和人工光合作用的關鍵信息或是提供操控分子的量子特徵，從而用於計算和通信的新渠道。
光，相機，拍攝！
分子攝影的源頭可追溯至上世紀80年代出現的捕捉分子快照的方法。一種叫作抽運—探測光譜的領先技術利用持續僅數飛秒的雷射脈衝觸發化學反應。但飛秒化學中所用的雷射脈衝的波長比單個原子之間的距離大得多，因此不能直接分辨出分子中原子的位置。
為了獲得單個原子的清晰圖像，科學家一直都依賴於X光晶體學和電子衍射，研究質子或電子在通過分子時如何散射。同時，諸如STMs等工具和原子力顯微鏡（AFMs）則提供了單個分子中的原子及其周圍電子簇的更多詳細信息。但這些技術獲取圖像時通常需要花費數毫秒或更長時間，這對於觀測原子前後移動過於緩慢。
因此，過去幾年，分子影片製作者結合了飛秒化學、散射和原子成像的各個方面，以形成一種混合技術工具箱向不同學科提供最佳解決方法，結合時間和空間解析度展示原子及分子的自然生境。
去年，德國雷根斯堡大學的研究人員利用雷射脈衝顯著提升了STM的快門速度，這種顯微鏡依賴於一個尖銳頂點（頂點縮成一個單一原子），它可以在一個表面上黏貼的單個分子上移動。由於短距離的量子行為，電子能夠在分子和該頂點抽去液體或「打開隧道」，形成電子流。隨著尖端移動，電子流大小的變化可以揭示分子周圍彌散的電子形態。
儘管這項實驗只是一個概念上的證明，該團隊領銜作者之一、物理學家Jascha Repp認為，他的團隊可以將THz-STM的時間解析度縮小到10飛秒，這將可以揭示更快的過程：電子在吸光後會在分子上滑翔，或者氫離子會在不同點前後跳躍，這一過程叫作互變現象，它可以影響很多生物分子的反應。
轟動一時的成果
STMs和AFMs的一個吸引人之處是該設備——不鏽鋼真空室和探針簇可適用於小實驗室。這項技術可謂是分子影片製作的獨立工作室，相對來說，很多研究人員都可以獲取到。
天平的另一端是在美國加州史丹福大學國家加速器實驗室價值4.14億美元的直線性連續加速器光源（LCLS）上做出的轟動一時的成果。這個巨大的X射線自由電子雷射（XFEL）設施可產生明亮、連續的脈衝，揭示驚人的蛋白質結構。該設備實驗時間的競爭非常激烈。
去年，一個國際研究團隊報告稱，利用LCLS的X光脈衝首次觀測到一個重要的生物學過程。該團隊的目標是光敏黃蛋白（PYP），這是一些細菌採用的光敏感器。位於PYP核心的是一個含有嚴格的、不能自由活動的碳—碳雙鍵的吸光區。位於雙鍵每端的龐大群體通常指向相反方向，這種配置被稱為「反式」。但該團隊利用一個藍色雷射脈衝暫時打斷了其中一個化學鍵，讓龐大的群體轉變為「順式」結構，即指向同樣的方向。這種反式—順式異構現象在生物系統內經常發生。
該團隊用一束40飛秒長的X光脈衝跟蹤了最初的雷射衝擊，其產生的散射模式可以揭示原子的位置。將這些拍攝成視頻電影後表明，異構現象約發生在光刺激PYP之後約550飛秒。「最出乎意料的是它並非是立即發生的。」該團隊成員、亞利桑那州立大學生化學家Petra Fromme說，「它完全改變了這種化學反應如何發生的觀點。」
這項實驗針對的是漂浮在溶液中的毫米級晶體，但其他研究人員也設法利用LCLS拍攝氣體中的單個分子。2015年，他們拍攝了一個環形分子斷裂的影片，這是化學和生物化學領域的一種經典反應。由於X光的波長過長，難以直接分辨原子，因此該團隊依靠理論模擬將圖像銳化為16幀的分子電影。目前，斥資10億美元的LCLS-II升級工程正在進行，它將提供波長更短的X光，簡言之，更加頻繁的脈衝將能夠提升影片的時間和空間解析度。Fromme希望，新一代緊湊XFELs（每個價格低於1500萬美元）將能讓這種技術對更多科學家開放。
終極分子自拍
目前，LCLS能量最高的X光的波長是150皮秒，對於分辨單個碳原子或氫原子略微過長。為了進一步放大顯示，研究人員可以利用快速移動電子，它擁有更短的波長，因此在一個分子上衍射時，能夠提供更佳的空間解析度。這是冷凍電子顯微鏡背後的原理，這一技術目前正在結構生物學領域帶來革命，在很大程度上是因為它提供了冷凍樣本中蛋白的詳細結構，而不需要等待它們形成晶體。
冷凍電子顯微鏡提供了很多分子聚集在一起的群集鏡頭，其他的技術則用電子對單個分子成像。去年，西班牙巴塞隆納光子學研究所所長Jens Biegert帶領的團隊報告稱，利用雷射誘導電子衍射（LIED）研究乙炔的單個分子。在這種技術中，一束紅外脈衝將分子朝定義的方向排列，然後第二束脈衝將兩個電子敲出隊列，從而打破乙炔中一個碳—氫鍵。
像任何其他形式的光一樣，這些雷射脈衝也是由振蕩的電子和磁場構成的。第二束脈衝的電場會選出其中一個自由電子並將其猛烈地甩回分子。這個電子會在其首次逃逸後9飛秒抵達，其速度快到可以直接通過分裂的分子。在此過程中，它會像波浪在巖石岸邊摔碎那樣衍射，形成的模式可以用快於1飛秒的快門速度揭示原子的位置。它可能是終極的分子自拍。
在分子影片製作的下一階段，其他研究人員希望，從飛秒轉變為阿秒（10-18秒）的雷射脈衝可以產生史無前例的慢動作序列。在那樣的快門速度下，原子似乎在以緩慢的速度移動，電子的活動也會清晰可見。這將是關鍵的一步，哥倫比亞俄亥俄州立大學物理學家Louis DiMauro說，因為電子的行為最終控制著分子中原子的活動。
大多數研究人員贊同，是時候立即推進示範項目，將這些技術應用到各個學科領域的研究中。「如果開發這些工具的人能夠說服化學家和材料學家，它將會帶來極大的發展。」Biegert說。畢竟，「理解的第一步是用眼看」。
（晉楠編譯）
《中國科學報》 (2017-06-15 第3版 國際)