物理学家利用高电荷离子实现复杂分子的高精度成像
发布时间：2025-02-07 09:29:48 阅读数： 372
实验方法示意图。资料来源：IMP，来自《物理评论快报》（2024）。DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.193002
中国科学院现代物理研究所（IMP）的研究人员在科学期刊《物理评论快报》上发表了一项突破性研究，揭示了高电荷离子在精确成像复杂分子结构方面的独特潜力。这项研究聚焦于一种名为库仑爆炸成像（CEI）的技术，它能够实现分子结构的原子级分辨率成像。
传统上，CEI技术主要依赖于强激光脉冲或X射线脉冲来触发分子的库仑爆炸，但这种方法通常仅限于对含有不超过五个原子的小分子进行成像。尽管近年来通过使用超强X射线脉冲或飞秒激光，科学家们已经克服了一些限制，但在精确测量键长，特别是涉及氢原子时，仍然面临挑战。
在这项新研究中，IMP的研究人员采用了不同的方法。他们在兰州重离子研究设施（HIRFL）利用112.5 eV/u的C5+离子束成功触发了C4H4N2分子的库仑爆炸。这种高电荷离子在极短的时间内（不到一飞秒）剥离了分子中的10多个电子，从而实现了对分子结构的高精度成像。
“使用高电荷离子，我们能够在极短的时间内将复杂分子暴露在强烈的电子场脉冲中，这是实现氢原子高精度成像的关键。”该研究的通讯作者之一、IMP的徐申跃教授解释道。
为了验证这种方法的有效性，研究人员使用反应显微镜同时记录了爆炸后产生的H+、C2+、C+和N+离子碎片。通过重建这些碎片的动量，他们成功地实现了对所有组成原子（包括氢原子和重原子）的高精度成像。
这项研究的结果表明，基于加速器的CEI方法能够精确成像含有10个原子的分子结构，这在以前是难以实现的。此外，研究人员还发现，片段之间的角度相关性可以作为区分同分异构体结构的独特“指纹图谱”。这意味着，即使两种分子具有相同的化学组成但结构不同，通过CEI技术也可以轻松区分它们。
“高电荷离子对于复杂分子的CEI来说是独一无二的。”该研究的另一位通讯作者马新文教授表示，“我们希望这项研究能够促进加速器在单复杂分子成像领域的应用，为科学家们提供一种全新的工具来探索分子世界的奥秘?！?/span>
总的来说，这项研究不仅展示了高电荷离子在库仑爆炸成像技术中的独特优势，还为精确测量复杂分子结构提供了新的可能性。未来，这种方法有望在材料科学、生物医学和化学等领域发挥重要作用。
