飛秒化學

飛秒化學是物理化學的一支，研究在極小的時間內化學反應的過程和機理。這一領域涉及的時間間隔短至約千萬億分之一秒，即1飛秒，這也就是名稱的來源。在這個極小的時間段里，產生的飛秒雷射可以用於檢測分子、原子、離子的結構、組成、運動等形成飛秒檢測範疇。

由1999年諾貝爾化學獎獲得者艾哈邁德·澤維爾（Ahmed H.Zewail）創立。

基本介紹

• 中文名：飛秒化學
• 外文名：Femtosecond chemistry
• 學科：物理化學
• 主要技術：超短雷射
• 套用方向：液體和溶劑方面、聚合物方面
• 創始人：艾哈邁德·澤維爾

飛秒化學解析

1999年，自然科學的桂冠諾貝爾化學獎授給了埃及出生的科學家艾哈邁德·澤維爾（Ahmed H.Zewail），以表彰他套用超短雷射（飛秒雷射）閃光成相技術觀測到分子中的原子在化學反應中如何運動，從而有助於人們理解和預期重要的化學反應，為整個化學及其相關科學帶來了一場革命。這是在這一領域的開創性的研究。澤維爾運用飛秒雷射光束拍攝下反應過程中的變化及生成的中間體。

在這個飛秒雷射脈衝產生的分子擾動中，可以探測到分子、原子、離子的結構、組成、運動等形成飛秒檢測範疇。現在，運用飛秒化學技術可以觀察到，反應過程中生成的中間產物與起始物和最終產物都不同。可以預見，運用飛秒化學，化學反應將會更為可控，新的分子將會更容易製造。

飛秒科學技術的發展已有近20年歷史，80年代末澤維爾教授做了一系列試驗，他用可能是世界上速度最快的雷射閃光照相機拍攝到一百萬億分之一秒瞬間處於化學反應中的原子的化學鍵斷裂和新形成的過程。這種照相機用雷射以幾十萬億分之一秒的速度閃光，可以拍攝到反應中一次原子振盪的圖像。他創立的這種物理化學被稱為飛秒化學，飛秒即毫微微秒（是一秒的千萬億分之一），即用高速照相機拍攝化學反應過程中的分子，記錄其在反應狀態下的圖像，以研究化學反應。常規狀態下，人們是看不見原子和分子的化學反應過程的，現在則可以通過澤維爾教授在80年代末開創的飛秒化學技術研究單個原子的運動過程。

澤維爾的實驗使用了超短雷射技術，即飛秒光學技術。猶如電視節目通過慢動作來觀看足球賽精彩鏡頭那樣，他的研究成果可以讓人們通過“慢動作”觀察處於化學反應過程中的原子與分子的轉變狀態，從根本上改變了我們對化學反應過程的認識。澤維爾通過“對基礎化學反應的先驅性研究”，使人類得以研究和預測重要的化學反應，澤維爾因而給化學以及相關科學領域帶來了一場革命。

飛秒雷射

雷射曾被視為神秘之光，並已被人類廣泛使用。近年來，科學家研究發現了一種更為奇特的光——飛秒雷射（飛秒femtosecond，簡寫fs），亦稱超短雷射。

主要的特點

第一，飛秒雷射是一種以脈衝形式運轉的雷射，持續時間非常短，只有幾個飛秒，1 femtosecond=1×10-15s，它比利用電子學方法所獲得的最短脈衝要短几千倍，是人類目前在實驗條件下所能獲得最短脈衝的技術手段。

第二，飛秒雷射具有非常高的瞬時功率，可達到百萬億瓦，比目前全世界發電總功率還要多出百倍，科學家預測飛秒雷射將為下世紀新能源的產生髮揮重要作用。

第三，它能聚集到比頭髮的直徑還要小的空間區域，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高數倍。

系統組成

高功率飛秒雷射系統由4部分組成：振盪器、展寬器、放大器和壓縮器。在振盪器內，利用一種特殊技術獲得飛秒雷射脈衝。展寬器將這個飛秒種子脈衝按不同波長在時間上拉開。放大器使這一展寬的脈衝獲得充分能量。壓縮器把放大後的不同成分的光譜再會聚到一起，恢復到飛秒寬度，從而形成具有極高瞬時功率的飛秒雷射脈衝。

飛秒化學的套用

飛秒雷射的出現使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運動過程。基於這些科學上的發現，飛秒雷射在物理學、生物學、化學控制反應、光通訊等領域中得到了廣泛套用。

研究的發展

澤韋爾小組是在實際的化學反應過程中，用高速照相機儘可能地給正好處於反應過渡態的分子攝像，所用的照相速度是達到幾十飛秒的閃光新技術——飛秒雷射，其快的程度就像以鐵釘生鏽為基準的炸藥爆炸速度。一般來說，反應分子中的原子完成一次振動的時間間隔為10至100fs。化學反應就在這樣的時間分辨、像盪鞦韆一樣的過渡態平衡中發生了。

首次成功是發現了從反應物到生成物過程中中間體（Intermediates）的存在。為了理解反應過程中機理，從相對穩定的分子或分子碎片（中間體）開始，不斷縮短脈衝照相的時間間隔，捕捉過渡態中的分子或分子碎片，使反應連續起來。

第一次實驗是分解ICN→I+CN，整個反應在200fs內完成，在I－C鍵即將斷裂的時候，澤韋爾小組能夠準確地觀察到過渡態。

另一個重要實驗是Nal→Na十I。在一個真空室中，原始分子以分子束（beams of molecules）的混合形式存在，用強的激活脈衝（Powerful PumP Pulse）使平均核間距為2.8 的基態離子對Na+I－處於呈現共價鍵特徵的激化狀態[Nal]*（其性質隨分子的振動而變化），再用較弱的探索脈衝（weaker Probe Pulse）以選定的波長去探測捕捉原始分子或變化了的分子，在光譜儀中，新的分子或分子碎片像指紋一樣留了下來。實驗表明，當[NaI]*核間距為10～15 時，以Na+和I-離子形式存在；當核間距恰好在6.9 時，極可能返回基態（2.8 ）或分解為Na和I原子。

澤韋爾還研究了H+CO2→CO+OH，展現了該反應經歷了一個相對長的HOCO狀態（1000fs）。

對同一分子內2個相同的化學鍵是同時斷裂還是先後斷裂的問題，通過對C2I2F4→C2F4+2I的實驗研究，表明是協同的（同時）。

當出現意外的實驗結果時，往往更令人感興趣。在可以認為是簡單眼應的苯（C6H6）與雙原子分子的I2反應實驗研究時，發現，2個分子相互靠近形成複雜結合體，雷射使一個電子從苯環發射到I2分子上，形成的正負電荷作用使其中一個碘原子與苯環結合，同時I2共價鍵斷裂，另一個碘原子離開體系。整個這個反應只發生在750fs的時間間隔內。

隨著研究的深入，另一個重要的有機反應是丁烷開環為乙烯和乙烯閉環成丁烷的平衡過程。它們可能只經過同時斷裂或形成兩支C－C鍵翻越一個簡單能壘的過渡態；也可能先斷裂或形成一支C－C鍵形成中間體，從而翻越雙能壘（TWO－stage）的微觀過程。澤韋爾及其合作者證實了中間體的存在，壽命為700fs。

再一個利用飛秒技術的典型反應是光致（light－induced）一個分子向另一個分子轉化的光異構化（Photoisomerization）。他們的結論是在反應過程中，2個苯環彼此是同時旋轉的。

一個類似的行為在視黃醛（Retinal維生素A醛）中也已觀察到。在最初的光化學作用時，順反異構轉化是繞著雙鍵進行的。其他研究人員用飛秒光譜學技術發現該過程在200fs內完成，而且在產物中仍有一定量的振動。此反應速率表明，吸收的光子能量不是被平均分配而是集中在相應的雙鍵上，此可以解釋為什麼有70%的高產率和夜晚眼睛對光敏感。

另一個重要的生物學例子是飛秒化學可以解釋為什麼植物葉綠素分子（Chlorophyll）能通過光合作用有效地進行能量轉換。

套用領域

隨著研究的拓展，飛秒化學已經滲透到許多領域，不僅對分子束而且在表面化學方面（如理解和改良催化劑）、液體和溶劑方面、聚合物方面（如導體材料）等都得到套用。另一個重要的套用領域是生命科學方面。總之，澤韋爾的飛秒光學實驗技術，猶如電視節目通過慢動作來觀看足球精彩鏡頭那樣，他的研究成果可以讓人們通過“慢動作”觀察處於化學反應過程中的原子與分子的轉變狀態，從根本上改變了我們對化學反應過程的認識。