最冷的化学反应

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最冷的化学反应[color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]

[color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]From: [color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]小雨
原理
[color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]2 days ago

化学反应与我们的生活息息相关，从呼吸、烹饪、消化、能量产生、药物，到生产如肥皂一类的日用品，都离不开化学反应。因此，了解它们的基本工作原理有助于研究人员设计出更多从未面世的分子组合，而当能够拥有无限种可能的新组合时，这些新的分子便可衍生出无穷无尽的应用，从更高效的能源生产到创造出可用作防霉墙壁的新材料，甚至是用作为构建更好的量子计算机的基础。

宇宙中已知的最冷化学反应发生在一片混乱的激光中，在比星际空间还要冷数百万倍的温度下，哈佛大学的物理化学家Kang-Kuen Ni实现了一项关乎“精准”的壮举：她迫使两个超冷分子相遇并发生反应，在最低的温度下目睹了化学键的断开与形成，让我们有史以来第一次从头到尾见证了一个化学反应的发生。

Ni的团队将分子冷冻到只比绝对零度高百万分之一度的极冷温度，用一组激光器记录了当时的反应，并将实验的细节发表在了《科学》杂志上。

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把分子降至极低的温度是超冷化学领域所应对的场景，这样做不仅能减慢这些微观粒子的速度，并且还能对它们以在高温状态下时无法做到的方式进行操纵。当温度极低时，分子基本上处于低温“昏迷”状态，以尽可能低的速度运动。

五年前，作为一名超冷化学的先驱者，Ni着手建造一个可以实现最低温度的化学反应的新仪器。但她不确定她所打造的这个复杂的仪器是否真的可行。现在，她的团队不仅完成了最冷的反应，他们还发现这个新仪器可以做一些意料之外的事。

过去，人们常常误以为固体材料中的粒子不够活跃，比如冰块中的分子的移动速度就比在液态水和蒸汽的分子要慢，但与在Ni的实验室中所降至的500nK时所谓的“量子爬行”相比，它们的移动速度仍然算得上非常快了。

利用超冷化学技术，Ni和她的团队在分子速度变得极为缓慢时，将不可能的分子对组合在了一起，他们见证了两个分子相遇并形成新分子的过程，捕捉到了化学反应中最关键、最难以捉摸的行为。这是之前从来没人能做到的。

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在之前的研究中，Ni就一直在突破低温的极限来制造这些化学魔法，创造出在其他情况下永远不会发生反应的分子（详见：《两个原子的相遇》）。在这种极限温度下，原子和分子处于它们的最低能态，极慢的移动速度使得研究人员能够以非常高的精准度操纵分子间的相互作用。但即便如此，他们通常也只能看到反应的开始，接下来的中间过程和结尾就宛如是一个“黑洞”——只有用理论推测，却无法深入一观究竟。

的确，化学反应发生的时间十分短，只有十亿分之一秒。在过去的20年里，科学家们只能用超快激光尽可能地捕捉反应发生时的图像，却无法捕捉到整个画面。大多数时候，他们只能在可测量的时间内看到反应物的消失和生成物的出现，而无法直接测量中间到底发生了什么。

现在，这一情况终于改变。Ni和她的团队一次看到了中间发生了什么。超冷化学使得科学家可以实现对分子的分裂和操作，将只能维持万亿分之一秒的化学反应减慢到百万分之一秒，甚至更多。

                               
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○ 化学反应将反应物转化为生成物，通过中间状态使化学键断裂再重新形成，这一过程太过短暂以至于无法被观测，因此迄今为止化学家对此还没能对其进行深入研究。通过将反应物“冻结”到500nK的温度，反应的中间阶段被拉长了很多，然后研究人员利用光电离探测直接观测到了这一阶段。这项技术为使用超冷分子进行化学反应的量子控制铺平了道路。| 图片来源：Ming-Guang Hu

在新的研究中，他们让两个钾铷（有着良好的柔韧性）分子进行反应，超低温迫使分子在中间阶段停留了几微秒。这个在平常看来短到微不足道的百万分之几秒的时间，已经比原本的时间长了数百万倍，这足以让研究人员分析化学键的断裂和形成过程——可以说，这就是一个分子变成另一个分子的过程。这种对时间的放缓，就好比你在这样一个超冷的房间中打了个维持了半秒钟喷嚏，结果这一过程被拉长到了139个小时。

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Ni说，他们可以利用这一视角来验证预测这样一个反应“黑洞”的理论，以确认这些理论的预测是否正确。然后，她的团队就可以构建新的理论，利用实际数据更精确地预测在其他化学反应中会发生什么。

现在，研究人员非常期待看到在逼近绝对零度的环境下，他们的仪器还能揭示什么样的新发现。这种将反应的观测时间延迟100万倍的能力，为每个科学领域都提供更多迷人的可能性，尤其是在量子物理领域。

现在，研究团队已经在探索他们还能从这个实验仪器中学到什么。例如，接下来他们可以对反应物进行操纵，在发生反应之前激活反应物，看看它们的高能量会如何影响结果；再比如，它们可以在反应发生时影响反应，轻推一个分子或另一个分子。由于具有了非常强的操控能力，让他们得以进行探索的时间窗口变得足够长。有了这个装置，化学家们可以开始思考这些问题。若没有这项技术，没有这篇论文，这是无法想象的情景。

参考来源：https://chemistry.harvard.edu/news/coldest-reactionhttps://science.sciencemag.org/content/366/6469/1111