中國科學院近代物理研究所原子物理中心苑航博士、許慎躍研究員和馬新文研究員等在分子庫侖爆炸成像研究方面取得重要進展，利用蘭州重離子加速器提供的高電荷態離子束流實現了對復雜分子的高精度結構成像 。
復雜分子高精度成像面臨挑戰
分子是構成我們所生存的物質世界的一種基本單元。原子按照一定的鍵合順序和空間排列而結合在一起，形成了各種各樣的分子，并決定了分子的性質。
圖 原子、分子與物質世界 圖源| facts.net
原子是怎樣排列的？不同的排列方式是如何決定分子性質的？ 要回答這些問題，就需要知道分子的結構 。對分子結構的高精度成像，不僅有助于深入揭示分子的微觀結構和反應動力學機制，還對認識星際物質的演化，天體化學，生物分子功能解析以及新藥物研發等具有潛在的價值。
1986年，科學家利用薄箔剝離加速運動分子離子的多個核外電子，首次利用庫侖爆炸成像技術實現了分子離子結構的可視化。自此，庫侖爆炸成像被認為是在原子尺度對分子結構成像的有效手段 。
圖 庫侖爆炸成像實驗示意圖 圖源| Z. Vager et al. Science 244, 426 (1989)
庫侖爆炸成像技術通過快速剝離多個電子，使分子在庫侖排斥力作用下迅速爆炸碎裂，并進一步探測碎片動量反演分子結構。與電子或x射線衍射等其它成像手段相比，庫侖爆炸成像技術具有對氫原子和其它較重原子的同等探測靈敏度以及可直接獲取分子三維信息的優勢 ，在研究氣相分子和弱束縛體系的結構成像和超快動力學演化中具有顯著的應用潛力。
長期以來，科學家主要采用光電離手段誘導分子的庫侖爆炸，適用范圍主要集中在原子數不超過5個 的簡單分子體系。然而，針對更為復雜的分子體系，要實現高精度成像卻面臨著相當的挑戰。
近年來，利用自由電子激光或飛秒激光提供的超強脈沖束，科學家實現了對由10個原子組成的分子的庫侖爆炸成像。但由于受到脈沖寬度、多重電離時間尺度等因素制約，分子在完全電離前會發生明顯的結構改變，限制了成像精度。尤其是含氫原子的有機分子體系 ，由于氫原子質量較輕，其在分子完全電離前的快速運動會導致位置發生明顯變化，從而使得測量結果與分子實際鍵長存在明顯偏差。
那么，怎樣才能實現對復雜分子的精確成像呢?高電荷態離子具有獨特優勢
在近期發表在Physical Review Letters的一篇研究中，中國科學院近代物理研究所原子物理中心研究團隊發展了利用高電荷態離子對復雜分子高精度成像的方法。研究表明，高電荷態離子在庫侖爆炸成像方面具有獨特優勢 。
利用蘭州重離子加速器，研究團隊選用112.5 keV/u的C5+ 離子束，以C4H4N2分子為模型開展碰撞實驗。在高電荷態離子的作用下，分子在極快、極強的電場脈沖下曝光，在不到一飛秒的時間內完成碰撞，并被剝離10個以上電子。 這一關鍵特性有效克服了分子結構在庫侖爆炸前發生變化的問題。研究團隊利用反應顯微成像譜儀，通過符合測量末態中的H+、C2+、C+ 和N+ 碎片并重構其動量，實現了對復雜分子的高精度結構成像。
此外，團隊還提出了一種利用“指紋信息”鑒別同分異構體的新方案 。該分析方法在給出碎片離子荷質比的同時，能夠進一步以不同碎片之間的角度關聯作為指紋信息，實現同分異構體鑒別。這與只分析荷質比信息的傳統質譜方法相比，具有明顯優勢。
研究表明，利用高電荷態離子誘導分子庫侖爆炸，能夠對復雜分子極快極強曝光，從而同時實現對分子中氫原子和較重原子的高精度成像。這項研究將有望促進加速器在分子結構成像領域的應用。
