飛秒化學(xué)是物理化學(xué)的一支，研究在極小的時(shí)間內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程和機(jī)理。這一領(lǐng)域涉及的時(shí)間間隔短至約千萬(wàn)億分之一秒，即1飛秒，這也就是名稱(chēng)的來(lái)源。在這個(gè)極小的時(shí)間段里，產(chǎn)生的飛秒激光可以用于檢測(cè)分子、原子、離子的結(jié)構(gòu)、組成、運(yùn)動(dòng)等形成飛秒檢測(cè)范疇。
由1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)艾哈邁德·澤維爾（Ahmed H.Zewail）創(chuàng)立。
名詞解析
1999年，自然科學(xué)的桂冠諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授給了埃及出生的科學(xué)家艾哈邁德·澤維爾（Ahmed H.Zewail），以表彰他應(yīng)用超短激光（飛秒激光）閃光成相技術(shù)觀測(cè)到分子中的原子在化學(xué)反應(yīng)中如何運(yùn)動(dòng)，從而有助于人們理解和預(yù)期重要的化學(xué)反應(yīng)，為整個(gè)化學(xué)及其相關(guān)科學(xué)帶來(lái)了一場(chǎng)革命。這是在這一領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性的研究。澤維爾運(yùn)用飛秒激光光束拍攝下反應(yīng)過(guò)程中的變化及生成的中間體。
在這個(gè)飛秒激光脈沖產(chǎn)生的分子擾動(dòng)中，可以探測(cè)到分子、原子、離子的結(jié)構(gòu)、組成、運(yùn)動(dòng)等形成飛秒檢測(cè)范疇。現(xiàn)在，運(yùn)用飛秒化學(xué)技術(shù)可以觀察到，反應(yīng)過(guò)程中生成的中間產(chǎn)物與起始物和最終產(chǎn)物都不同。可以預(yù)見(jiàn)，運(yùn)用飛秒化學(xué)，化學(xué)反應(yīng)將會(huì)更為可控，新的分子將會(huì)更容易制造。
飛秒科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已有近20年歷史，80年代末澤維爾教授做了一系列試驗(yàn)，他用可能是世界上速度最快的激光閃光照相機(jī)拍攝到一百萬(wàn)億分之一秒瞬間處于化學(xué)反應(yīng)中的原子的化學(xué)鍵斷裂和新形成的過(guò)程。這種照相機(jī)用激光以幾十萬(wàn)億分之一秒的速度閃光，可以拍攝到反應(yīng)中一次原子振蕩的圖像。他創(chuàng)立的這種物理化學(xué)被稱(chēng)為飛秒化學(xué)，飛秒即毫微微秒（是一秒的千萬(wàn)億分之一），即用高速照相機(jī)拍攝化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的分子，記錄其在反應(yīng)狀態(tài)下的圖像，以研究化學(xué)反應(yīng)。常規(guī)狀態(tài)下，人們是看不見(jiàn)原子和分子的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的，現(xiàn)在則可以通過(guò)澤維爾教授在80年代末開(kāi)創(chuàng)的飛秒化學(xué)技術(shù)研究單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
澤維爾的實(shí)驗(yàn)使用了超短激光技術(shù)，即飛秒光學(xué)技術(shù)。澤維爾通過(guò)“對(duì)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)的先驅(qū)性研究”，使人類(lèi)得以研究和預(yù)測(cè)重要的化學(xué)反應(yīng)，澤維爾因而給化學(xué)以及相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)革命。
飛秒激光
激光曾被視為神秘之光，并已被人類(lèi)廣泛使用。近年來(lái)，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)了一種更為奇特的光——飛秒激光（飛秒femtosecond，簡(jiǎn)寫(xiě)fs），亦稱(chēng)超短激光。
主要特點(diǎn)
第一，飛秒激光是一種以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時(shí)間非常短，只有幾個(gè)飛秒，1 femtosecond=1×10-15s，它比利用電子學(xué)方法所獲得的最短脈沖要短幾千倍，是人類(lèi)目前在實(shí)驗(yàn)條件下所能獲得最短脈沖的技術(shù)手段。
第二，飛秒激光具有非常高的瞬時(shí)功率，可達(dá)到百萬(wàn)億瓦，比目前全世界發(fā)電總功率還要多出百倍，科學(xué)家預(yù)測(cè)飛秒激光將為下世紀(jì)新能源的產(chǎn)生發(fā)揮重要作用。
第三，它能聚集到比頭發(fā)的直徑還要小的空間區(qū)域，使電磁場(chǎng)的強(qiáng)度比原子核對(duì)其周?chē)娮拥淖饔昧€要高數(shù)倍。
系統(tǒng)組成
高功率飛秒激光系統(tǒng)由4部分組成：振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。在振蕩器內(nèi)，利用一種特殊技術(shù)獲得飛秒激光脈沖。展寬器將這個(gè)飛秒種子脈沖按不同波長(zhǎng)在時(shí)間上拉開(kāi)。放大器使這一展寬的脈沖獲得充分能量。壓縮器把放大后的不同成分的光譜再會(huì)聚到一起，恢復(fù)到飛秒寬度，從而形成具有極高瞬時(shí)功率的飛秒激光脈沖。
應(yīng)用
飛秒激光的出現(xiàn)使人類(lèi)第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運(yùn)動(dòng)過(guò)程。基于這些科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)，飛秒激光在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)控制反應(yīng)、光通訊等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。
研究發(fā)展
澤韋爾小組是在實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，用高速照相機(jī)盡可能地給正好處于反應(yīng)過(guò)渡態(tài)的分子攝像，所用的照相速度是達(dá)到幾十飛秒的閃光新技術(shù)——飛秒激光，其快的程度就像以鐵釘生銹為基準(zhǔn)的炸藥爆炸速度。一般來(lái)說(shuō)，反應(yīng)分子中的原子完成一次振動(dòng)的時(shí)間間隔為10至100fs。化學(xué)反應(yīng)就在這樣的時(shí)間分辨、像蕩秋千一樣的過(guò)渡態(tài)平衡中發(fā)生了。
首次成功是發(fā)現(xiàn)了從反應(yīng)物到生成物過(guò)程中中間體（Intermediates）的存在。為了理解反應(yīng)過(guò)程中機(jī)理，從相對(duì)穩(wěn)定的分子或分子碎片（中間體）開(kāi)始，不斷縮短脈沖照相的時(shí)間間隔，捕捉過(guò)渡態(tài)中的分子或分子碎片，使反應(yīng)連續(xù)起來(lái)。
第一次實(shí)驗(yàn)是分解ICN→I+CN，整個(gè)反應(yīng)在200fs內(nèi)完成，在I－C鍵即將斷裂的時(shí)候，澤韋爾小組能夠準(zhǔn)確地觀察到過(guò)渡態(tài)。
另一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)是Nal→Na十I。在一個(gè)真空室中，原始分子以分子束（beams of molecules）的混合形式存在，用強(qiáng)的激活脈沖（Powerful PumP Pulse）使平均核間距為2.8 的基態(tài)離子對(duì)Na+I－處于呈現(xiàn)共價(jià)鍵特征的激化狀態(tài)[Nal]*（其性質(zhì)隨分子的振動(dòng)而變化），再用較弱的探索脈沖（weaker Probe Pulse）以選定的波長(zhǎng)去探測(cè)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(lái)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)[碘化鈉]*核間距為10～15 時(shí)，以Na+和I-離子形式存在；當(dāng)核間距恰好在6.9 時(shí)，極可能返回基態(tài)（2.8 ）或分解為Na和I原子。
澤韋爾股份還研究了H+CO2→CO+OH，展現(xiàn)了該反應(yīng)經(jīng)歷了一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)的HOCO狀態(tài)（1000fs）。
對(duì)同一分子內(nèi)2個(gè)相同的化學(xué)鍵是同時(shí)斷裂還是先后斷裂的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)C2I2F4→C2F4+2I的實(shí)驗(yàn)研究，表明是協(xié)同的（同時(shí)）。
當(dāng)出現(xiàn)意外的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，往往更令人感興趣。在可以認(rèn)為是簡(jiǎn)單反應(yīng)的苯（C6H6）與雙原子分子的I2反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)，2個(gè)分子相互靠近形成復(fù)雜結(jié)合體，激光使一個(gè)電子從苯環(huán)發(fā)射到I2分子上，形成的正負(fù)電荷作用使其中一個(gè)碘原子與苯環(huán)結(jié)合，同時(shí)I2共價(jià)鍵斷裂，另一個(gè)碘原子離開(kāi)體系。整個(gè)這個(gè)反應(yīng)只發(fā)生在750fs的時(shí)間間隔內(nèi)。
隨著研究的深入，另一個(gè)重要的有機(jī)反應(yīng)是丁烷開(kāi)環(huán)為乙烯和乙烯閉環(huán)成丁的平衡過(guò)程。它們可能只經(jīng)過(guò)同時(shí)斷裂或形成兩支C－C鍵翻越一個(gè)簡(jiǎn)單能壘的過(guò)渡態(tài)；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(guò)程。澤韋爾股份及其合作者證實(shí)了中間體的存在，壽命為700fs。
再一個(gè)利用飛秒技術(shù)的典型反應(yīng)是光致（light－induced）一個(gè)分子向另一個(gè)分子轉(zhuǎn)化的光異構(gòu)化（Photoisomerization）。他們的結(jié)論是在反應(yīng)過(guò)程中，2個(gè)苯環(huán)彼此是同時(shí)旋轉(zhuǎn)的。
一個(gè)類(lèi)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(xué)作用時(shí)，順?lè)串悩?gòu)轉(zhuǎn)化是繞著雙鍵進(jìn)行的。其他研究人員用飛秒光譜學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)該過(guò)程在200fs內(nèi)完成，而且在產(chǎn)物中仍有一定量的振動(dòng)。此反應(yīng)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(yīng)的雙鍵上，此可以解釋為什么有70%的高產(chǎn)率和夜晚眼睛對(duì)光敏感。
另一個(gè)重要的生物學(xué)例子是飛秒化學(xué)可以解釋為什么植物葉綠素分子（Chlorophyll）能通過(guò)光合作用有效地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。
應(yīng)用領(lǐng)域
隨著研究的拓展，飛秒化學(xué)已經(jīng)滲透到許多領(lǐng)域，不僅對(duì)分子束而且在表面化學(xué)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(dǎo)體材料）等都得到應(yīng)用。另一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域是生命科學(xué)方面。總之，澤韋爾的飛秒光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，猶如電視節(jié)目通過(guò)慢動(dòng)作來(lái)觀看足球精彩鏡頭那樣，他的研究成果可以讓人們通過(guò)“慢動(dòng)作”觀察處于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的原子與分子的轉(zhuǎn)變狀態(tài)，從根本上改變了我們對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。
參考資料 >