超短激光脈衝使溫室氣體發生反應

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這是一個長久以來的夢想:從大氣中去除惰性的溫室氣體二氧化碳，並將其用作化學工業的基本原料。這可以通過遏制氣候變化，同時減少對石油的依賴，同時解決兩個主要問題。波恩大學的物理化學家正在為這一設想做出重大貢獻。他們發現了一種利用激光脈衝來製造高反應性二氧化碳的新方法。

每天，大自然向人類展示如何優雅地將二氧化碳從空氣中結合，並將其轉化為一種急需的原料。植物在光照下會用綠葉進行光合作用。在陽光的幫助下，氧氣和急需的能量和營養供應商糖是由二氧化碳和水產生的。

波恩大學物理和理論化學研究所的Peter Vohringer教授說:「科學家們一直在努力模仿這種模式，以便為化學工業使用二氧化碳。」使這一概念難以實現的原因是，很難將二氧化碳與其他分子結合起來。

在他的團隊中，物理化學家已經發現了一種新的方法來產生惰性和難以結合的溫室氣體的高度反應性的變種。研究人員使用了一個所謂的鐵複合體:中心包含一個帶正電荷的鐵原子，而二氧化碳的成分已經被束縛了很多次。科學家們將超短激光脈衝的紫外光照射到這個鐵複合體上，從而破壞了某些化學鍵。產生的產物就是所謂的二氧化碳自由基，它也形成了具有某種極端性的新鍵。

這些自由基的外殼中只有一個電子，它們迫切地想要永久地與另一個分子或原子結合。「這是一個未成對的電子，它將我們的反應性激進分子與惰性二氧化碳的中心鐵原子結合在一起，使它對化學過程如此有希望，」來自Vohringer團隊的首席作者Steffen Straub解釋說。自由基可能會成為有趣的化學產品的組成部分，例如甲醇作為燃料或尿素，化學合成和水楊酸作為止痛藥。

分光計顯示工作中的分子。

科學家們用他們的激光和紅外光譜儀，在研究所的地下室里，觀察分子的工作。光譜儀測量了分子的特徵振動，這種「指紋」使他們能夠識別不同原子之間的化學鍵。Straub解釋說:「在鐵複合體內部形成的二氧化碳自由基改變了原子間的化學鍵，從而降低了特徵二氧化碳振動的頻率。」

通過法醫的直覺，科學家們能夠證明激光脈衝確實能產生活性碳自由基。首先，研究小組模擬了計算機上分子的振動光譜，然後將計算結果與測量結果進行比較。結果:模擬和實驗確實是一場精彩的比賽。就像「分子運動圖」一樣，光譜儀在難以想像的時間解析度中拍下了「快照」，這個解析度是十億分之一秒的百萬分之一秒。在光譜的基礎上，與電影的單個圖像相對應，它可以被揭示——本質上是慢動作——在脈衝激光照射下，在幾個階段，鐵的複雜變形是怎樣的，化學鍵斷裂，最終形成自由基。

「我們的發現有可能從根本上改變如何從大氣中提取溫室氣體二氧化碳的想法，並利用它來生產重要的化學產品，」Vohringer說。然而，由於激光脈衝對大規模的轉換效率不高，仍然需要為工業應用開發合適的催化劑。「儘管如此，我們的研究結果為如何設計這種催化劑提供了線索，」這位科學家補充道。目前的研究與多學科重點領域的可持續性以及波恩大學的物質研究相吻合。

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