研究人员开发了实时捕捉漫游分子片段的方法。使用时间分辨库仑爆炸成像（CEI），在超快时间尺度上对典型的甲醛解离反应中的单个“漫游者”进行直接成像。对所有关键实验步骤进行高级第一性原理模拟，可识别出独特的漫游签名。通过使用高度敏感的CEI方法，可在宏大背景中发现罕见的随机事件并进行观察。

本研究成果的艺术渲染图

实时研究分子水平层面的化学反应是实验化学物理的中心主题。一个国际研究团队首次实时捕获到漫游分子片段。这一工作，是在Institut national de la recherche scientifique (INRS)（加拿大国立科学研究院(INRS)）的Heide Ibrahim研究指导下完成的，这一最新研究成果发表在期刊《Science》上。

自从发现漫游作为甲醛（H 2CO）的重要现象，已在许多分子中间接观察到。这种现象描述了一种令人沮丧的解离，即碎片以相对较大的原子间距离漫游，而不是遵循传统的过渡态解离。母体分子的初始自由基会自反应形成分子产物。光谱是通过静态产品渠道解析的测量在光谱上进行识别的，但不能实时观察到漫游片段本身。使用时间分辨库仑爆炸成像（CEI），我们在原型甲醛离解反应中以超快速度时间对单个“漫游者”进行了直接成像。使用所有关键实验步骤的高级第一性原理模拟，可以识别出独特的漫游签名。

来自加拿大国立科学研究院(INRS) 研究中心的研究人员，在François Légaré教授的支持下，使用先进的激光光源（Advanced Laser Light Source (ALLS)）开展了这一工作。他们成功的第一次拍摄到漫游的分子薄膜——氢的碎片，此时就是HCO周围的轨道的碎片，通过研究甲醛（H2CO）中的光离解来研究其化学反应。

分子的旅行路线

在这次发现中我们所观察到的是，在旅行的路线中，最终的目标在一开始的时候是不确定的，并且路径常常也不是简单的。通常来说，同人类比较相似，遵循从A点到B点最简单的路径的模式以最小化消耗的能量，Heide Ibrahim解释说。然而，旅行者会决定绕道走一段弯路。显然，这一情况对分子碎片来说也是如此。这一过程称之为漫游，并且首次在甲醛分子中于2004年被发现。自此，非直接的追踪流浪的碎片称之为漫游的碎片开始在许多分子系统中被发现。

然而，直到最近，Ibrahim博士的团队才开始能够捕获他们行走的路径，并实现实时的捕获。这是直到今天，首次直接的观察到漫游的难以捉摸的现象。它就像，追踪恐龙的脚印一样，其薄膜的发现可以表面他们是在游荡，研究人员说到。

CD2 O漫游反应研究示意图

绘制碎片图

除了漫游之外，这里同时还存在常规解离，所谓常规解离就是分子在超短UV激光脉冲的激发下分裂成碎片。碎片可以通过直接的路径（分离）或者非直接的路径（漫游）达到同一产品的终端的时候。为了实现这一工作，我们不能简单的等待碎片在最终的路线上到来，因为这并不会提供它所经历的任何关于动力学的信息。这就像一个路线图没有GPS的指引一样，我们不能追踪旅行者的路线，Heide Ibrahim说到。为了挽救这一点，研究团队通过沿着碎片的路径放置检查站的办法来识别碎片沿着何种路径行进，这有点像信号的发射塔使得一个信号可以沿着其行进的路线在一个特定的点进行激活。

在实验中，众多的挑战中的一个挑战就是同这些未定分子的信号在统计学上发生的信号相关。影像是打算在路上将旅行者给拍摄出图片，但你只有在知道具体是那一条路线和它（旅行者）在这一周内的任何时间会穿过这一路线才行。为了增加难度，实验信号是超快的（在100飞秒的尺度），且拓展到时间层面的几个数量级。Tomoyuki Endo，是该论文的第一作者，同时是INRS的前博士后研究人员，现在在日本的关西光子科学研究所（ Kansai Photon Science Institute）工作，可以实现追踪漫游者的信息，他所使用的技术是一种称之为时间分辨库仑爆炸成像（time-resolved Coulomb explosion imaging (CEI）的技术。

Michael Schuurman（渥太华国家研究委员会），Paul Houston（美国康奈尔大学）和 Joel Bowman（埃默里大学）为团队成员在实验的任何阶段的关键节点均提供了高水平的理论支持。

▲时间分辨激光库仑爆炸成像原理Time-resolved laser Coulomb explosion imaging

研究结果显示时间分辨率库仑爆炸成像可以超出相干分子动力学的影像，此时，我们使用传统的桌面型的超快激光来遵循工艺的统计学规律，Légaré教授说到，他是ALLS （先进激光光源）实验室的领导者。在不久的将来，得益于高重复速率的激光系统，它将可以用来研究更加复杂的分子。

尽管漫游仍然保留着难以捉摸的过程，使得我们难以掌握，这一科学上的重大进展为我们如何测量它提供了一个深深的视角，与此同时，统计学上的过程需要高度灵敏的探测所面对的干扰性背景信号，Heide Ibrahim说到，最终，这将只是大自然的秘密中的另外一个旅行的开始，漫游是一个过程，其作用在环境和大气化学中仅仅是我们开始对其性能理解的 一个开始。