将我们 DNA 分子碱基对结合在一起的氢键在细胞内液中形成。我们星球上大部分的环境化学反应发生在海洋和其他水体中。大多数药物在溶剂中合成。然而，化学家通常只在气相中研究化学反应的逐键机制，在气相中分子相对稀疏且易于追踪。在液体中，分子更多，分子间的碰撞也更多，因此反应快速、混乱且复杂。您想要观察的过程看起来会像一个未分化的模糊不清的图像——除非您能在万亿分之几秒内拍摄到反应的快照。
安德鲁·奥尔-尤因是英国布里斯托尔大学的化学家，他使用激光研究化学反应。他知道液体中热催化的反应会产生振动，这些振动可以在红外光谱中观察到。在 2012 年至 2014 年间进行的实验中，奥尔-尤因和当时的布里斯托尔大学博士生格雷格·邓宁向溶剂乙腈中的二氟化氙分子发射了超快紫外脉冲。激光脉冲就像一把手术刀，切下高活性氟原子，这些氟原子反过来从溶剂分子中夺取氘原子，形成氟化氘。使用称为红外光谱的标准技术观察到，在第一个激光脉冲之后，特征红外振动出现然后消失的速度揭示了原子之间键的形成速度以及反应达到平衡的速度。
这些实验是观察液体中反应的皮秒级细节的概念验证。然而，大多数化学家使用计算机模拟来观察和改进化学反应，而不是昂贵的激光器和探测器。对于他们来说，奥尔-尤因在布里斯托尔的同事大卫·格洛瓦茨基和杰里米·哈维编写了模拟软件，该软件以非凡的精度预测了奥尔-尤因光谱实验的结果。“我们可以使用这些模拟更深入地了解正在发生的事情，”奥尔-尤因说，“因为它们告诉我们比我们从实验中获得的更精确的信息。”
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
实验和模拟共同为我们提供了迄今为止关于化学反应如何在液体中实际发生的最佳见解。开发人员已经开始将该团队的方法纳入学术和工业用途的计算机模拟中，这可能使从事疾病研究、药物开发和生态研究的科学家受益。