新算法让分子“一举一动”无法遁形

 

科技日报北京5月5日电 （记者刘霞）据美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）官网消息，一个国际科研团队在分析分子快速运动方面取得突破。他们开发出一种新算法，能以更低成本、更高精度，确定超快化学反应的顺序，从而帮助科学家更透彻地了解化学反应过程中分子的快速运动。

化学反应和生物分子的运动发生在飞秒（1秒的一千万亿分之一）间，尽管包括SLAC的直线加速器相关光源（LCLS）在内的X射线激光能生成飞秒级图像，但它们无法在同样的时间尺度上将其直接转化为运动图像。

科学家想要研究某个化学反应时，通常会先用一束激光脉冲触发这一反应，接着用X射线激光脉冲为反应拍照，但这个过程会破坏样本。为了得到下一步反应图像，必须在新样本内触发反应并继续用X射线拍照。科学家们不断重复这一过程，并将所有图像拼接起来，希望得到反应的准确顺序。但由于X射线激光拍照顺序存在时间上的不确定性，要做到这一点并不容易。

为此，威斯康星大学密尔沃基分校物理学教授阿巴斯·奥尔马兹达领导的团队研发出了一种数学算法，可以从时间不确定程度为300飞秒的数据中，提取出时间精度为1飞秒的信息，将分析精度提高了300倍。

在最新研究中，科学家将新算法应用到SLAC教授菲利普·巴克斯鲍姆团队于2010年收集的数据中。当时，巴克斯鲍姆团队使用LCLS研究双电荷氮离子的动力学原理。他们通过朝氮分子发射X射线制造出这些氮离子，并获得了氮分子振动模式的大量图像，但这些图像的准确顺序并不确定。在最新算法帮助下，奥尔马兹达团队以1飞秒的精度确定了分子的振动，准确重建了氮分子的动力学行为，并通过量子力学计算证明了这一精度。

该研究合作者、德国电子同步加速器（DESY）首席科学家罗宾·圣塔说：“这一方法有望使在X射线激光设施内进行的超快运动研究产生革命性变革”。