光驱动的反应是人类视觉、光合作用和太阳能发电的核心。观察到第一步，就打开了观察化学键形成和断裂的大门。

图注：科学家们首次直接看到了光驱动化学反应的第一步。 他们在SLAC上使用X射线自由电子激光，以捕获当光撞击到称为CHD的环形分子时电子分布的几乎瞬时变化。 在30飞秒或十亿分之一秒的百万分之一内，电子云变形为更大，更弥散的云，与受激电子状态相对应。
许多光驱动的化学反应的第一步，就像那些促进光合作用和人类视觉的化学反应一样，是分子吸收光能量时电子排列的改变。这种微妙的重新安排为接下来的一切铺平了道路，并决定了反应的进行方式。

现在，科学家们首次直接看到了这一第一步，观察了该分子的电子云如何在该分子中的任何原子核作出反应之前迅速膨胀。

虽然这种反应在理论上已经被预测并间接地被检测到，但这是第一次在被称为分子电影制作的过程中用X射线直接成像，其最终目的是观察当化学键形成或断裂时电子和原子核是如何实时起作用的。

布朗大学、爱丁堡大学和能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员，于2020年5月1日在《自然通讯》杂志上报告了他们的发现。

布朗大学的化学教授、该报告的资深作者彼得·韦伯说：“在过去的分子电影中，我们能够看到原子核在化学反应中是如何运动的。但是化学键本身是电子再分配的结果，是看不见的。现在，我们可以看到化学键在反应过程中的变化。”

重要生物反应模型

这是由1，3-环己二烯（CHD）主演的一系列分子电影中的最新一部，CHD是一种从松油中提取的环状分子。在低压气体中，它的分子自由漂浮，易于研究，是一种重要的生物反应模型，就像阳光照射皮肤时产生维生素D一样。

在近20年前的研究中，科学家们研究了当光照到CHD环上时，CHD环是如何分裂的——首先是电子衍射技术，最近是SLAC的“电子照相机”、MeV-UED和X射线自由电子激光（Linac相干光源）。世界各地的这些和其他研究都揭示了如何在越来越精细的细节中进行这种反应。

四年前，来自布朗、斯拉克和爱丁堡的研究人员用液晶显示器制作了一部CHD环分离的分子电影，这是有史以来第一部用X射线记录的分子电影。这项成就被列为美国能源部国家实验室将要取得的75项最重要的科学突破之一，同时还有DNA解码和中微子探测等发现。

但是之前的实验中没有一个能够观察到最初的电子洗牌步骤，因为除了分子原子核的大得多的运动之外，没有办法对其进行梳理。

聚光灯下的电子

在这项研究中，韦伯领导的一个实验小组采取了一种稍微不同的方法：他们用一种波长的激光照射CHD气体样本，激发分子进入一种相对长时间存活的状态——200飞秒，或者是十亿分之一秒的百万分之一，所以它们的电子结构可以用LCLS的X射线激光脉冲探测。

“100多年来，X射线散射一直被用来确定物质的结构，”爱丁堡高级讲师、这项研究的高级合著者亚当·基兰德（Adam Kirrander）说，“但这是第一次直接观测到激发态的电子结构。”

这项被称为非共振X射线散射的技术测量了样品中电子的排列，研究小组希望在分子吸收光时捕捉到电子分布的变化。他们的测量结果证实了这一预期：虽然来自电子的信号很弱，但研究人员能够清晰地捕捉到电子云是如何变形成一个更大、更弥散的云，对应于一个激发电子态的。

在原子核开始运动之前观察这些电子变化是至关重要的。布朗大学（Brown University）博士生、该报告的主要作者Haiwang Yong说：“在化学反应中，原子核会移动，很难将这种信号从属于化学键形成或断裂的其他部分中分离出来。”“在这项研究中，原子核在那个时间尺度上的位置变化相对较小，因此我们能够看到分子吸收光后电子的运动。”

SLAC高级工作人员科学家迈克尔·米尼蒂补充道：“我们正在对这些电子的运动和移动进行成像。这为直接实时观察电子在键断裂和键形成过程中的运动铺平了道路；从这个意义上说，这与摄影相似。”