科学家实验首次观测到化学键的产生过程

据科学日报报道，美国能源部SLAC国家实验室的科学家们使用前沿的X射线激光技术，成功捕捉到了两个原子在结合成分子前的过渡状态。这一研究成果被刊登在《科学快报》上，它对于理解化学反应的本质、设计新型能量反应以及农作物施肥的改进有着深远的影响。

这一研究的背后，是科学家们对于化学反应核心过程的。“这是化学反应的心脏地带，是所有化学研究的圣杯。”SLAC/斯坦福SUNCAT界面科学与催化中心教授安德斯·尼尔森博士表示。这一过渡状态极为短暂且难以捉摸，就像化学反应中的“幽灵”，难以捕捉。利用先进的激光技术，科学家们成功捕捉到了这个瞬间的变化。

实验是在SLAC国家实验室的直线连贯光源（LCLS）中进行的。这个强大的工具能够产生明亮且短暂的X射线激光脉冲，为科学家们提供了前所未有的机会，可以观察到原子和分子层面的化学反应过程。

研究人员以汽车尾气中的一氧化碳催化转化为例，展示了这一技术的威力。在这个反应中，催化剂表面的氧原子与一氧化碳结合，形成二氧化碳。在SLAC的实验中，科学家们使用钌作为催化剂，并利用激光脉冲使其加热至极高的温度。这一高温使得依附在催化剂上的化学物质振动加剧，从而增加了它们结合的概率。

研究人员利用LCLS的X射线激光脉冲对这个过程进行了观察。他们检测到了飞秒级别（即千万亿分之一秒）内原子里电子分布的变化，这是化学键形成的微妙迹象。尼尔森博士表示：“氧原子被激活，一氧化碳也被激活。它们开始振动，四处移动。然后，在极短的时间内，它们开始碰撞并进入这些短暂的过渡阶段。”

这一观察结果令人惊讶。研究人员发现许多反应物进入了过渡状态，但最终只有一小部分形成了稳定的二氧化碳，其余的则分解了。尼尔森博士用一个生动的比喻解释了这一过程：“这就像推弹珠上山，大多数到达山顶的弹珠最终又会滚下山。我们所见证的是无数次的尝试，但只有极少数化学反应能达成目标。”这一发现为我们理解化学反应的过程提供了宝贵的线索，也为未来的科学研究指明了方向。