- 化工與生活 最冷的化學(xué)反應(yīng)
- 發(fā)布日期：2019-12-20
化學(xué)反應(yīng)是指分子破裂成原子，原子重新排列組合生成新分子的過程。化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的時(shí)間非常短暫，在皮秒之內(nèi)。在過去的20年中，科學(xué)家們使用了超快激光，以捕捉反應(yīng)發(fā)生時(shí)的快速圖像，但是他們無法捕獲全部圖片。現(xiàn)在，利用超冷化學(xué)，研究人員可以首先了解化學(xué)反應(yīng)過程中的確切情況。
美國(guó)科學(xué)家在最新一期《科學(xué)》雜志發(fā)表論文稱，在比星際空間冷數(shù)百萬(wàn)倍的溫度下，他們讓兩個(gè)超冷分子發(fā)生了迄今宇宙間最冷的化學(xué)反應(yīng)，形成了分子偶聯(lián)史上最冷的鍵，讓我們有史以來第一次從頭到尾見證了一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。
哈佛大學(xué)的研究人員稱，在500納開爾文（比絕對(duì)零度僅高百萬(wàn)分之幾攝氏度）下，分子的運(yùn)動(dòng)速度降至極低，他們看到了以前從未有人見過的情景：兩個(gè)分子相遇形成兩個(gè)新分子的時(shí)刻。
在以前的研究中，研究團(tuán)隊(duì)使用超低溫讓原本不可能發(fā)生反應(yīng)的原子生成分子。在極低溫度下，原子和分子會(huì)減速到可能的最低能量狀態(tài)，研究人員因此可最精確地操縱分子的相互作用。但即便如此，他們也只能看到反應(yīng)的開始：兩個(gè)分子進(jìn)入，隨后發(fā)生的一切對(duì)他們來說就是一個(gè)“反應(yīng)黑洞”。
因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)發(fā)生在皮秒內(nèi)，即使當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)，也無法捕捉到如此短暫的景象。在過去20年間，科學(xué)家使用超快激光來拍攝反應(yīng)發(fā)生時(shí)的情景，仍然無法捕獲全部景象。“大多數(shù)時(shí)候，你只是看到反應(yīng)物消失，隨后產(chǎn)物出現(xiàn)，但中間發(fā)生了什么，我們一無所知。”
現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的超冷溫度使他們首次看到了反應(yīng)過程中發(fā)生的情況。當(dāng)他們讓兩個(gè)銣鉀發(fā)生反應(yīng)時(shí)，超冷溫度迫使分子在中間階段停留了幾微秒，這一時(shí)間比平時(shí)長(zhǎng)了數(shù)百萬(wàn)倍，足以讓他們研究鍵的斷裂和形成――也就是一個(gè)分子如何變成另一個(gè)分子的過程。
有了這一新方法，他們可對(duì)各種預(yù)測(cè)反應(yīng)中發(fā)生情況的理論進(jìn)行驗(yàn)證，還可以提出新理論，更精確預(yù)測(cè)其他化學(xué)反應(yīng)（甚至發(fā)生在量子領(lǐng)域中的化學(xué)反應(yīng)）內(nèi)發(fā)生的情況。此外，借助新反應(yīng)平臺(tái)，他們可以操縱發(fā)生反應(yīng)的物體，在反應(yīng)之前將其激發(fā)，以查看增加能量對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響，甚至操控反應(yīng)的進(jìn)行。
化學(xué)反應(yīng)實(shí)際上負(fù)責(zé)一切：呼吸、烹飪、消化，創(chuàng)造能量、藥品和肥皂等家用產(chǎn)品。因此，了解它們?cè)诨舅缴系墓ぷ鞣绞娇梢詭椭芯咳藛T設(shè)計(jì)世界上從未見過的組合。有了幾乎無限數(shù)量的新組合，這些新分子將有無盡的應(yīng)用，從更高效的能源生產(chǎn)到新材料。
團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在探索他們?cè)诔錅y(cè)試床上還能學(xué)到的東西。接下來，例如，他們可以操縱反應(yīng)物，在反應(yīng)之前將其激發(fā)，以查看其增加的能量如何影響結(jié)果。或者，它們甚至可能影響反應(yīng)的進(jìn)行，從而輕觸一個(gè)分子或另一個(gè)分子。
