SLAC 国家加速器实验室的研究人员通过结合两种超快 X 射线光谱技术，首次捕获了称为铁氰化物的分子的最快运动之一。他们认为他们的方法可以帮助绘制更复杂的化学反应，例如血细胞中的氧气运输或使用人工光合作用产生氢气。
来自 SLAC、斯坦福和其他机构的研究团队从现在相当标准的技术入手：他们用紫外激光和直线加速器相干光源 (LCLS) X 射线产生的明亮 X 射线照射铁氰化物和水的混合物自由电子激光。紫外线将分子踢入激发态，而 X 射线探测样品的原子，揭示了铁氰化物的原子和电子结构和运动的特征。
这次的不同之处在于研究人员如何从 X 射线数据中提取信息。该团队并没有只研究一个被称为 Kβ 主发射线的光谱区域，而是捕获并分析了第二个发射区域，称为价对核，在超快时间尺度上测量它的难度要大得多。结合来自这两个区域的信息，该团队能够获得铁氰化物分子演变成关键过渡态时的详细图片。
研究小组表明，铁氰化物在受到紫外线激光照射后进入中间激发态约 0.3 皮秒——或不到万亿分之一秒。然后，核价读数显示，在这个短暂的兴奋期之后，铁氰化物失去了它的分子氰化物“臂”之一，称为配体。然后，铁氰化物要么用相同的碳基配体填充这个缺失的接头，要么不太可能用水分子填充。
“这种配体交换是一种基本的化学反应，被认为发生在铁氰化物中，但没有直接的实验证据证明这一过程中的各个步骤，”SLAC 科学家和第一作者 Marco Reinhard 说。“仅使用Kβ 主发射线分析方法，我们无法真正看到分子从一种状态变为另一种状态时的样子；我们只能清楚地了解过程的开始”
“你希望能够复制大自然所做的事情来改进技术和增加我们的基础科学知识，”SLAC 高级科学家 Dimosthenis Sokaras 说。“为了更好地复制自然过程，你必须知道所有的步骤，可以这么说，从最明显的步骤到在黑暗中发生的步骤。”
未来，研究小组希望研究更复杂的分子，例如在红细胞中运输和储存氧气的血红素蛋白——但研究起来可能很棘手，因为科学家们并不了解它们反应的所有中间步骤，Sokaras说。
研究团队多年来在 SLAC 的斯坦福同步辐射光源 (SSRL) 和 LCLS 改进了他们的 X 射线光谱技术，然后结合 LCLS 的 X 射线相关光谱 (XCS) 仪器的所有这些专业知识来捕捉分子结构变化铁氰化物。该团队今天在Nature Communications上发表了他们的研究结果。
SLAC 首席科学家 Roberto Alonso-Mori 表示：“我们同时利用 SSRL 和 LCLS 来完成实验。如果不能同时使用这两种设施和我们的长期合作，我们就无法完成我们的方法开发。” “多年来，我们一直在这两个 X 射线源上开发这些方法，现在我们计划用它们来揭开以前无法触及的化学反应秘密。”
