分子結構成像。中國科學院近代物理研究所供圖

捕捉分子瞬間，就像試圖定格風中的塵埃，似乎是個不切實際的想法。然而，有這樣一群科學家，致力于將這一看似不可能的任務變為現實——為分子拍攝高清照片，進而揭示內部結構與行為的微妙細節。

近日，中國科學院近代物理研究所原子物理中心從事博士后研究的苑航以及研究員許慎躍、馬新文等在分子庫侖爆炸成像領域取得了重要進展。他們利用蘭州重離子加速器提供的高電荷態離子束流，成功實現了對復雜分子的高精度結構成像。這一成果發表于《物理評論快報》。

給神秘分子世界“照相”

分子作為構成物質的基本單位，內部結構和動態行為對于理解物質的性質和功能至關重要。然而，由于分子極其微小且運動速度極快，想要捕捉清晰的圖像并非易事。

因此，分子照相技術面臨著分辨率和成像速度等多重挑戰。然而，對于致力于揭示分子內部結構和行為的科學家來說，這是一個值得追求的目標。

“經過長時間的研究和探索，我們終于在分子庫侖爆炸成像領域取得了重要突破。”許慎躍告訴《中國科學報》，庫侖爆炸成像技術是一種通過剝離分子中的電子使其發生碎裂，并進一步探測碎片動量以獲得分子結構信息的方法。

與傳統的分子結構預測方法不同，庫侖爆炸成像技術不依賴于復雜的計算模型或化學軟件，而是直接通過物理實驗觀測分子的真實結構。當分子被高能離子撞擊后，內部電子迅速剝離，瞬間“爆炸”成多個原子碎片。這些碎片的速度、方向和能量分布等信息，都蘊含著分子原始結構的秘密。

庫侖爆炸成像技術的發展并非一帆風順。該技術問世已經近30年，然而，在前25年里，它主要局限于對二氧化碳、甲烷等簡單小分子的研究。這些分子的原子數量較少、結構相對簡單，因此成像難度較低。對于更復雜的分子，成像難度則大大增加。

近年來，盡管科學家利用自由電子激光或飛秒激光提供的超強脈沖束，成功實現了10個原子組成的復雜分子的庫侖爆炸成像，但這些方法仍存在明顯的局限。

“由于多重電離時間尺度等因素的制約，分子在庫侖爆炸前往往會發生結構弛豫，這極大限制了成像精度。特別對于含氫原子的分子體系，測量結果與分子實際鍵長之間存在顯著偏差，使得這些技術難以滿足高精度分子結構成像的需求。”馬新文說。

高電荷態離子的“閃電戰”

“面對復雜分子的挑戰，我們團隊另辟蹊徑，將蘭州重離子加速器產生的高電荷態離子當作‘炮彈’，對復雜分子發起了‘閃電戰’。”許慎躍說，在亞飛秒的時間尺度內，高電荷態離子能夠迅速剝離分子外殼層的多個電子，引發庫侖爆炸。這一過程之快，堪比相機快門一閃，卻能捕捉到分子結構瞬間的“定格”。

這一特點使得高電荷態離子成為實現復雜分子高精度成像的理想工具。

在實驗過程中，科研團隊選用了噠嗪、嘧啶和吡嗪3種分子作為模型分子。這3種分子互為同分異構體，即分子式相同但結構不同的化合物，因此化學性質也可能截然不同。由于含有碳和氮元素的環狀結構在生物體系中十分常見，因此對其結構的研究具有重要意義。

研究人員利用蘭州重離子加速器產生的1.35兆電子伏特五價碳離子束流，對這些分子進行了照射。在亞飛秒的時間尺度內，碳離子成功剝離了分子外殼層的10個以上電子，引發了劇烈的庫侖爆炸。

隨后，科研團隊利用反應顯微成像譜儀，對爆炸產生的碎片離子進行了符合測量。他們記錄了氫離子、碳二以上烴類、碳基物質和氮基正電荷物質等碎片離子的動量信息，并通過重構碎片離子的動量分布，成功還原了分子的內部結構。實驗結果表明，利用高電荷態離子誘導的庫侖爆炸成像技術，可以實現對復雜分子中氫原子和較重原子的高精度成像，且成像精度得到了顯著提高。

更令人興奮的是，團隊還提出了利用碎片離子角度關聯譜作為指紋信息鑒別同分異構體的新方法。傳統的分子結構分析方法往往難以有效區分同分異構體，而這項新技術卻能夠像指紋識別一樣，通過碎片離子的角度關聯譜準確區分它們。

“在分析這些實驗數據時，我們用到了高中排列組合的知識。”許慎躍說，“這好比我們給每個分子打上一枚獨特的‘指紋’，只要測量這些‘指紋’信息，就能準確識別出分子的真實結構。”

許慎躍表示，此次實驗之所以進展得如此順利，關鍵在于團隊長時間的技術積累，當這些技術應用于分子成像研究時，幾乎未遇到任何阻礙，為復雜分子結構解析以及同分異構體研究開辟了全新途徑。

揭開自然奧秘 拓展應用領域

“當我們首次利用高電荷態離子實現復雜分子高精度成像時，整個團隊都沉浸在巨大的喜悅之中。那種通過自己的努力揭開自然奧秘的感覺，是無法用言語表達的。”許慎躍表示。

在成功實現對復雜分子的高精度成像后，科研團隊在學術期刊上發表了相關論文，詳細闡述了實驗過程、技術原理、數據分析方法、成像結果等方面的內容。

這一技術的成功應用，不僅為復雜分子的高精度成像提供了可能，也為鑒別同分異構體提供了新方法，有望在化學、材料科學、生物學和制藥等領域得到廣泛的應用。

馬新文告訴《中國科學報》：“在化學領域，該技術可用于解密復雜有機分子的未知結構。在材料科學領域，該方法有望通過對薄膜或納米材料的局部成像，揭示材料的微觀結構，推動新材料研發。在生物學和制藥領域，該技術非常適合手性分子鑒別，對手性藥物的研發和生物分子的精確分析具有重要意義，有望為新藥的研發和疾病的精準治療提供有力工具。”

利用高電荷態離子庫侖爆炸成像技術，科學家可以更準確地測量分子結構、鑒別同分異構體，從而推動相關領域發展。

未來，科研團隊將繼續深化對高電荷態離子庫侖爆炸成像技術的研究和應用。他們計劃進一步拓展實驗體系，研究更多復雜分子的高精度成像方法，并探索該技術在生物、醫藥等領域的應用潛力。他們還將加強與國內外科研機構的合作與交流，共同推動分子科學研究的發展，為探索微觀世界的奧秘貢獻更多智慧和力量。