“好莱坞”大片热映超高速成像让研究人员窥视原子世界

“好莱坞”大片热映超高速成像让研究人员窥视原子世界

2017-08-30 15:25

  化学家都是梦想家。每一天,他们都会设想在空间中飘浮着,原子用庄严的步伐跳着舞。他们在脑海中旋转着这个结构,从多个角度审视它们,让每个转动着,直到一个化学键被弹开、另一个化学键卡入到位。

  这样的放映模式存在于几乎所有化学家的脑海中,因为它们提供了一种化学反应如何发生的“视觉化”方式。“化学领域所有学科中贯穿的这种在头脑中发生的实验都是在想象原子的实时移动。”汉堡马普学会物质结构与动态研究所及大学理化学家Dwayne Miller说,“这是化学领域所有人都会做的梦。”

  在首次发现结构之后,化学家的这个梦已经做了150多年。现在,这些幻想正在变成现实。研究人员正在利用一系列技术在实验室中导演电影,这些影片大多数是用令人难以置信的光或电子短脉冲解释各个场景。其中一些依赖于扫描隧道显微镜(STMs)的原子精度,另一些则利用X光射线的强烈爆发目标结构。

  他们的目标是拍摄发生在皮秒(10-12秒)或飞秒(10-15秒)之间的事件,其间,原子仅发生了皮米级(一个氢原子的直径约为100皮米)的移动。在这样的分辨率下,研究人员首次能够直接观测到一个在慢镜头下的蠕动、原子键振动和断裂或是电子前后摆动。随着这些技术变得越来越主流,其带来的收获将是巨大的。它们能够提供产生更好催化作用和人工光合作用的关键信息或是提供操控的量子特征,从而用于计算和通信的新渠道。

  摄影的源头可追溯至上世纪80年代出现的捕捉快照的方法。一种叫作抽运—探测光谱的领先技术利用持续仅数飞秒的激光脉冲触发化学反应。但飞秒化学中所用的激光脉冲的波长比单个原子之间的距离大得多,因此不能直接分辨出中原子的。

  为了获得单个原子的清晰图像,科学家一直都依赖于X光晶体学和电子衍射,研究质子或电子在通过时如何散射。同时,诸如STMs等工具和原子力显微镜(AFMs)则提供了单个中的原子及其周围电子簇的更多详细信息。但这些技术获取图像时通常需要花费数毫秒或更长时间,这对于观测原子前后移动过于缓慢。

  因此,过去几年,影片制作者结合了飞秒化学、散射和原子成像的各个方面,以形成一种混合技术工具箱向不同学科提供最佳解决方法,结合时间和空间分辨率展示原子及的自然生境。

  去年,雷根斯堡大学的研究人员利用激光脉冲显著提升了STM的快门速度,这种显微镜依赖于一个尖锐顶点(顶点缩成一个单一原子),它可以在一个表面上黏贴的单个上移动。由于短距离的量子行为,电子能够在和该顶点抽去液体或“打开隧道”,形成电子流。随着尖端移动,电子流大小的变化可以周围弥散的电子形态。

  尽管这项实验只是一个概念上的证明,该团队领衔作者之一、物理学家Jascha Repp认为,他的团队可以将THz-STM的时间分辨率缩小到10飞秒,这将可以更快的过程:电子在吸光后会在上滑翔,或者氢离子会在不同点前后跳跃,这一过程叫作互变现象,它可以影响很多生物的反应。

  STMs和AFMs的一个吸引人之处是该设备——不锈钢真空室和探针簇可适用于小实验室。这项技术可谓是影片制作的工作室,相对来说,很多研究人员都可以获取到。

  天平的另一端是在美国斯坦福大学国家加速器实验室价值4.14亿美元的直线性连续加速器光源(LCLS)上做出的轰动一时的。这个巨大的X射线电子激光(XFEL)设施可产生明亮、连续的脉冲,惊人的蛋白质结构。该设备实验时间的竞争非常激烈。

  去年,一个国际研究团队报告称,利用LCLS的X光脉冲首次观测到一个重要的生物学过程。该团队的目标是光敏黄蛋白(PYP),这是一些细菌采用的光器。位于PYP核心的是一个含有严格的、不能活动的碳—碳双键的吸光区。位于双键每端的庞大群体通常指向相反方向,这种配置被称为“反式”。但该团队利用一个蓝色激光脉冲暂时打断了其中一个化学键,让庞大的群体转变为“顺式”结构,即指向同样的方向。这种反式—顺式异构现象在生物系统内经常发生。

  该团队用一束40飞秒长的X光脉冲了最初的激光冲击,其产生的散射模式可以原子的。将这些拍摄成视频电影后表明,异构现象约发生在光刺激PYP之后约550飞秒。“最出乎意料的是它并非是立即发生的。”该团队、亚利桑那州立大学生化学家Petra Fromme说,“它完全改变了这种化学反应如何发生的观点。”

  这项实验针对的是漂浮在溶液中的毫米级晶体,但其他研究人员也设法利用LCLS拍摄气体中的单个。2015年,他们拍摄了一个环形断裂的影片,这是化学和生物化学领域的一种经典反应。由于X光的波长过长,难以直接分辨原子,因此该团队依靠理论模拟将图像锐化为16帧的电影。目前,斥资10亿美元的LCLS-II升级工程正在进行,它将提供波长更短的X光,简言之,更加频繁的脉冲将能够提升影片的时间和空间分辨率。Fromme希望,新一代紧凑XFELs(每个价格低于1500万美元)将能让这种技术对更多科学家。

  目前,LCLS能量最高的X光的波长是150皮秒,对于分辨单个碳原子或氢原子略微过长。为了进一步放大显示,研究人员可以利用快速移动电子,它拥有更短的波长,因此在一个上衍射时,能够提供更佳的空间分辨率。这是冷冻电子显微镜背后的原理,这一技术目前正在结构生物学领域带来,在很大程度上是因为它提供了冷冻样本中蛋白的详细结构,而不需要等待它们形成晶体。

  冷冻电子显微镜提供了很多聚集在一起的群集镜头,其他的技术则用电子对单个成像。去年,西班牙巴塞罗那光子学研究所所长Jens Biegert带领的团队报告称,利用激光电子衍射(LIED)研究乙炔的单个。在这种技术中,一束红外脉冲将朝定义的方向排列,然后第二束脉冲将两个电子敲出队列,从而打破乙炔中一个碳—氢键。

  像任何其他形式的光一样,这些激光脉冲也是由振荡的电子和构成的。第二束脉冲的电场会选出其中一个电子并将其猛烈地甩回。这个电子会在其首次逃逸后9飞秒抵达,其速度快到可以直接通过的。在此过程中,它会像波浪在岩石岸边摔碎那样衍射,形成的模式可以用快于1飞秒的快门速度原子的。它可能是终极的。

  在影片制作的下一阶段,其他研究人员希望,从飞秒转变为阿秒(10-18秒)的激光脉冲可以产生史无前例的慢动作序列。在那样的快门速度下,原子似乎在以缓慢的速度移动,电子的活动也会清晰可见。这将是关键的一步,哥伦比亚立大学物理学家Louis DiMauro说,因为电子的行为最终控制着中原子的活动。

  大多数研究人员赞同,是时候立即推进示范项目,将这些技术应用到各个学科领域的研究中。“如果开发这些工具的人能够化学家和材料学家,它将会带来极大的发展。”Biegert说。毕竟,“理解的第一步是用眼看”。

  科技部基础研究司资源配置与管理司关于开展科技基础性工作专项项目验收工作的通知

  关于发布非可控性炎症恶性的调控网络及其机制重大研究计划2017年度项目指南的通告