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易博国际平台手机版-消失的分子

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  来源:原理

  或许很多人都听过盲人与大象的寓言故事:三个盲人第一次遇见大象,他们可以触碰大象的鼻子、耳朵、身侧中的一个部分,结果他们分别得出结论:这个是一条粗壮的蛇、一把扇子、一堵墙……

盲人与大象的寓言。| 图片来源:Jason Hunt / NaturalChild

  在近期刚刚完成一项新研究的哈佛大学物理化学家Kang-Kuen Ni说,量子世界就好比是这个故事中的大象,科学家的每一次探索,其实都只是摸索到了这只未知庞然大物的一小部分。但科学家清楚地知道,虽然我们离看清整个量子世界的全貌还有很远的距离,但每一次的探索和进步都能触发更多新的认知。就比如Ni和她的团队最近发表的这项研究那样,他们通过实验,解开了在超冷分子实验中普遍存在的“分子消失”之谜。

  去年12月,她与团队搭建了一个新的实验设备。他们在最低的温度下(500nK),迫使两个超冷分子相遇并发生化学反应,成功地实现了史上最冷的分子化学键的破坏与形成(详见《最冷的化学反应》)。

  伴随这一壮举而来的意外惊喜是,超低的温度大大地放慢了反应,使得研究人员可以首次实时地捕捉到化学反应发生的过程。尽管这些反应仍被认为太过短暂因而难以被测量,但Ni不仅设法了测出了这一反应的持续时间,还找到了在这类反应过程中,常常出现的分子消失的原因。

物理化学家Kang-Kuen Ni在她的实验室中。| 图片来源:havard.edu

  在这项超冷化学研究中,研究人员使用的是两个钾-铷分子。他们将分子冷却到接近绝对零度的温度,发现超低温度会迫使分子短暂地处于一个“中间阶段”。在这个“中间阶段”,两个分子既不是反应物,亦不是生成物,而是一种处于反应物向生成物转变、介于二者之间的状态。

  这个过程在实验中持续了大约360纳秒——比它们在常温下的反应时间长了约一百万倍。Ni认为,能够亲眼目睹这种变化的发生,就如同是寓言中得以触碰大象的盲人一样,为他们了解分子是如何工作的提供了一些不一样的新信息。

  在这项研究中,他们并不满足于仅仅是“观看”这一过程,而是决定“动手摸索”。这段被放慢的中间阶段,给了他们更多机会用激光对这些分子进行“摆弄”。这样的操作在通常情况下并不容易实现,因为那些典型的,比如在室温下就可以反应的络合物,会很快分解成生成物,使得可进行的实验操作并不多。

  在超低温物理学中,科学家常用激光来捕获和操纵原子,这是一种观察原子的量子基态,或迫使它们发生反应的常用方法。像钾、铷这类碱金属原子,很常被用于超冷领域的研究。1997年的诺贝尔物理学奖就颁发给了在用激光冷却、捕获碱金属原子工作中做出贡献的科学家。

  但与原子相比,分子更加难以操控,因为它们不会乖乖地待着,而是会旋转以及振动。因此,当科学家试图用激光来捕获气体分子时,虽然分子如预期的那样相互碰撞,但奇怪的事情却发生了:有的分子从视野中消失了。

  有科学家认为,这种消失应该是由某些反应造成的,比如两个分子碰撞在一起时,转化成了新的东西。但这具体是如何做到的?Ni的新研究给出了答案,他们发现,导致分子消失的罪魁祸首是激光。

  在这次的实验中,Ni和她的团队使用的是波长为1064纳米的红外激光。他们发现,当在中间阶段将激光开启时,处于中间阶段的络合物会被光子激发,迫使分子偏离它们的传统反应路径,进入一种新的反应路径。如果想要阻止这些分子消失,就必须将激光关闭。不过这样一来,就意味着得使用其他方法来捕获分子了。磁场和电场也可被用于捕获分子,但这类方法对技术的要求很高,实现起来不如激光简单。

  接下来,研究人员打算继续探寻这些消失的络合物最终去到了哪里。他们已经知道不同波长的光可以产生不同的反应路径,比如在此次实验中所使用的红外线就可以激发钾铷分子,但他们还不能确定哪种波长的光可以使分子形成新的结构。

  此外,他们还计划研究这种络合物在不同转变阶段时的样子。研究人员可以通过改变光的频率,让分子的被激发程度发生变化,从而探寻它们的结构。这个过程可以使研究人员弄清楚络合物的能级,从而了解它的量子力学结构。

  研究人员希望他们的发现可以成为一个好的研究模型,为使用其他分子的低温反应研究提供灵感。他们期待能看到更多的不同研究能给出更多的观测结果,尽可能地与其他科学家共同拼凑出化学反应这只大象的全部面貌。

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