消失的分子

晰数塔互联网快讯
2020-07-29 13:12

本文来自公众号：原理（ID：principia1687），作者： Caitlin，题图来自：《黑客帝国》

一

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。

二

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。

三

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。

参考来源：

https://news.harvard.edu/gazette/story/2020/07/cracking-the-case-of-the-missing-molecules/

https://www.nature.com/articles/s41567-020-0968-8

本文来自公众号：原理（ID：principia1687），作者： Caitlin