有史以來最冷的化學反應
化學反應與我們的生活息息相關，從呼吸、烹飪、消化、能量產生、藥物，到生產如肥皂一類的日用品，都離不開化學反應。因此，了解它們的基本工作原理有助於研究人員設計出更多從未面世的分子組合，而當能夠擁有無限種可能的新組合時，這些新的分子便可衍生出無窮無盡的應用，從更高效的能源生產到創造出可用作防霉牆壁的新材料，甚至是用作為構建更好的量子計算機的基礎。
宇宙中已知的最冷化學反應發生在一片混亂的激光中，在比星際空間還要冷數百萬倍的溫度下，哈佛大學的物理化學家Kang-Kuen Ni實現了一項關乎「精準」的壯舉：她迫使兩個超冷分子相遇並發生反應，在最低的溫度下目睹了化學鍵的斷開與形成，讓我們有史以來第一次從頭到尾見證了一個化學反應的發生。
Ni的團隊將分子冷凍到只比絕對零度高百萬分之一度的極冷溫度，用一組激光器記錄了當時的反應，並將實驗的細節發表在了《科學》雜誌上。
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把分子降至極低的溫度是超冷化學領域所應對的場景，這樣做不僅能減慢這些微觀粒子的速度，並且還能對它們以在高溫狀態下時無法做到的方式進行操縱。當溫度極低時，分子基本上處於低溫「昏迷」狀態，以儘可能低的速度運動。
五年前，作為一名超冷化學的先驅者，Ni著手建造一個可以實現最低溫度的化學反應的新儀器。但她不確定她所打造的這個複雜的儀器是否真的可行。現在，她的團隊不僅完成了最冷的反應，他們還發現這個新儀器可以做一些意料之外的事。
過去，人們常常誤以為固體材料中的粒子不夠活躍，比如冰塊中的分子的移動速度就比在液態水和蒸汽的分子要慢，但與在Ni的實驗室中所降至的500nK時所謂的「量子爬行」相比，它們的移動速度仍然算得上非常快了。
利用超冷化學技術，Ni和她的團隊在分子速度變得極為緩慢時，將不可能的分子對組合在了一起，他們見證了兩個分子相遇並形成新分子的過程，捕捉到了化學反應中最關鍵、最難以捉摸的行為。這是之前從來沒人能做到的。
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在之前的研究中，Ni就一直在突破低溫的極限來製造這些化學魔法，創造出在其他情況下永遠不會發生反應的分子。在這種極限溫度下，原子和分子處於它們的最低能態，極慢的移動速度使得研究人員能夠以非常高的精準度操縱分子間的相互作用。但即便如此，他們通常也只能看到反應的開始，接下來的中間過程和結尾就宛如是一個「黑洞」——只有用理論推測，卻無法深入一觀究竟。
的確，化學反應發生的時間十分短，只有十億分之一秒。在過去的20年里，科學家們只能用超快激光儘可能地捕捉反應發生時的圖像，卻無法捕捉到整個畫面。大多數時候，他們只能在可測量的時間內看到反應物的消失和生成物的出現，而無法直接測量中間到底發生了什麼。
現在，這一情況終於改變。Ni和她的團隊一次看到了中間發生了什麼。超冷化學使得科學家可以實現對分子的分裂和操作，將只能維持萬億分之一秒的化學反應減慢到百萬分之一秒，甚至更多。
○ 化學反應將反應物轉化為生成物，通過中間狀態使化學鍵斷裂再重新形成，這一過程太過短暫以至於無法被觀測，因此迄今為止化學家對此還沒能對其進行深入研究。通過將反應物「凍結」到500nK的溫度，反應的中間階段被拉長了很多，然後研究人員利用光電離探測直接觀測到了這一階段。這項技術為使用超冷分子進行化學反應的量子控制鋪平了道路。| 圖片來源：Ming-Guang Hu
在新的研究中，他們讓兩個鉀銣（有著良好的柔韌性）分子進行反應，超低溫迫使分子在中間階段停留了幾微秒。這個在平常看來短到微不足道的百萬分之幾秒的時間，已經比原本的時間長了數百萬倍，這足以讓研究人員分析化學鍵的斷裂和形成過程——可以說，這就是一個分子變成另一個分子的過程。這種對時間的放緩，就好比你在這樣一個超冷的房間中打了個維持了半秒鐘噴嚏，結果這一過程被拉長到了139個小時。
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Ni說，他們可以利用這一視角來驗證預測這樣一個反應「黑洞」的理論，以確認這些理論的預測是否正確。然後，她的團隊就可以構建新的理論，利用實際數據更精確地預測在其他化學反應中會發生什麼。
現在，研究人員非常期待看到在逼近絕對零度的環境下，他們的儀器還能揭示什麼樣的新發現。這種將反應的觀測時間延遲100萬倍的能力，為每個科學領域都提供更多迷人的可能性，尤其是在量子物理領域。
現在，研究團隊已經在探索他們還能從這個實驗儀器中學到什麼。例如，接下來他們可以對反應物進行操縱，在發生反應之前激活反應物，看看它們的高能量會如何影響結果；再比如，它們可以在反應發生時影響反應，輕推一個分子或另一個分子。由於具有了非常強的操控能力，讓他們得以進行探索的時間窗口變得足夠長。有了這個裝置，化學家們可以開始思考這些問題。若沒有這項技術，沒有這篇論文，這是無法想像的情景。
參考來源：
https://chemistry.harvard.edu/news/coldest-reaction
https://science.sciencemag.org/content/366/6469/1111
