“分子”清华大学杨杰：突破原子级时空分辨率的仪器需求，实现对分子结构演化的直接捕捉

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来源：DeepTech深科技

人们对微观世界的探索从未停止。随着微观观测技术的发展，人们可以认识和了解微观世界里的万物。例如，X 射线晶体衍射技术（1914、1915 诺奖）、电子衍射技术（1937 诺奖）、电子显微镜技术（1986 诺奖）和中子散射技术（1994 诺奖）以及冷冻电镜（2017 诺奖）的发明，使科学家能够通过科学仪器为微观世界建立科学认知。不过，虽然这些仪器能够清晰地展现微观世界的静态结构，但是却无法捕捉它们的动态变化。

由于我们的世界一直处在变化和运动中，因此要想深入理解各类分子发挥功能背后的微观机理，需要实时动态捕捉分子的结构演化过程，即拍摄“分子电影”。

清华大学化学系长聘副教授杨杰，主要从事兆电子伏超快电子衍射（MeV electron accelerator-based ultrafast electron diffraction，MeV-UED）技术，该技术利用先进电子加速器来追踪原子的运动轨迹，能够突破原子级时空分辨率的限制，实现对分子结构演化的直接捕捉，首次实现了“分子电影”技术。

凭借创新性地将物理学领域中的电子加速器技术引入到气相和液相分子化学研究当中，实现了对分子化学反应的飞秒级时间分辨率的动态捕捉技术，杨杰成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。

给分子运动“拍电影”

自然界中的各种生物体和物质都是由分子构成的，所以对分子形貌和内在规律的认识是一项非常重要的基础研究。过去一个世纪，不同物理现象的发现与运用，使人们更清晰地观测到越来越小的分子的静态图像，并进入了一个肉眼无法看到的世界。

不过，人们还是不能像观测宏观世界的物质运动一样，去了解分子层面发生各种反应的过程，但这一过程却对深入理解和解释分子层面发生的反应至关重要。因此，科学家们需要发展可以对分子进行动态捕捉的技术。

对分子结构变化的动态捕捉的过程，就好比研究宏观物体运动行为，需要满足实时性，就像拍一段分子的动态“电影”，并通过分析来掌握其运动规律。

比如，如果人们想要了解 DNA 在紫外线照射下的损伤过程，仅仅看到损伤后的静态分子结构是远远不够的，无法给出其具体损伤的过程与机理。但借助“分子电影”技术就可以实时观测 DNA 碱基在光照下的损伤过程，从而掌握反应机理。

由于分子尺寸小、变化快，要想实现对分子结构动态变化的追踪，需要仪器同时具备极高的时间和空间分辨率，这一要求给科学家们提出了一个很大的难题。

首先要能够在空间分辨率上达到原子尺度级别，意味着探测手段所使用的电磁波或物质波的波长应该达到化学键的尺度，即亚埃量级（1 埃=10-10 米）。在此基础上，还要让仪器的时间分辨率满足成键、断键时间尺度上的要求，一般是在飞秒量级（1 飞秒=10-15 秒）。

常规的微观探测方法虽然可以在空间分辨上满足要求，但却一直无法在时间分辨率上满足要求。就好比你有一台高像素值的专业相机，用它来拍摄一个高速运动的物体（比如一颗高速飞行的子弹）。由于它的快门速度不够快，顶多拍到一条运动轨迹，没法拍摄到具体运动过程。

首次引入电子加速器实现技术突破

为了解决该技术难点，杨杰在世界上首次引入了高能物理中的电子加速器，对气体和液体的化学反应进行动态追踪。电子加速器一直是高能物理领域科学家进行研究的重要工具，其通过加速的电子轰击物质，来探索原子核的内部结构。

杨杰利用其博士期间在美国 SLAC 国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）的工作机会，首次利用 SLAC 实验室的 MeV 级电子加速器，结合超快电子衍射技术，同时突破了亚埃空间分辨率和 100 飞秒时间分辨率，实现了气体分子结构的动态追踪技术，对气相化学动力学界产生了深远影响。

（来源：Science）

2018 年和 2020 年，杨杰团队通过分子电影技术，捕捉到非绝热动力学过程和原子核与价电子运动过程，相关成果分别以《Imaging CF3I conical intersection and photodissociation dynamics with ultrafast electron diffraction》和《Simultaneous Observation of Nuclear and Electronic Dynamics by Ultrafast Electron Diffraction》为题发表在 Science 上。

在此基础上，2021 年，杨杰率领团队将 MeV-UED 技术扩展到液相样品中，首次捕捉液态水中的氢键运动，相关成果以《Direct Observation of Ultrafast Hydrogen Bond Strengthening in Liquid Water》为题发表在 Nature 上。

上海交通大学张江高等研究院执行院长、物理与天文学院院长、美国物理学会会士向导教授这样评价杨杰的工作，“他真正打开了加速器物理学和化学反应之间的联系”、“杨博士现在被公认为全球气相和液相 UED 领域的领军人物”。

杨杰团队对分子的动态捕捉技术的实验方法，已于 2019 年被美国能源部升级为一台正式用户装置（User Facility），并向全世界科学家开放使用。目前，其每年支持 20-30 个顶尖课题组开展实验。这一事实也表明了国际学术界对该新技术的高度认可与热情。

在未来，分子电影还可以做什么

对于基于 MeV-UED 的分子电影技术在未来的发展和应用，杨杰表示，现在技术的继续发展将会解决传统应用场景的问题，他的团队将拓展该技术在复杂溶液相体系中的应用，以帮助人们在微观层面更好地理解溶液中的化学反应。

杨杰举例道，水是自然界绝大多数化学反应、生命过程的天然溶剂。但是，目前人们对水的描述仍然大多停留在像介电常数、反应速率、疏水性等宏观性质的唯象理论上，对宏观性质背后的微观机理并没有很好地理解和描述。

这一宏观和微观之间的巨大鸿沟，导致“试错法”仍然是化学合成、药物研发等重要领域的主流方法，极大地阻碍了科学技术的发展。而造成这一现象的根本原因是，缺乏一种直接、微观、时空分辨的实验观测手段。

因此，在未来，杨杰团队在清华大学将继续通过已有的分子动态追踪技术，来揭示复杂溶液体系宏观性质背后的微观机理，为人们对微观世界的认知带来的根本性变革。

同时，MeV-UED 技术本身是一项“买不来”的技术，实验所需的 MeV 光阴极微波电子加速器远远未实现商业化，因此需要依靠自己研制科学仪器。在这一方面，清华大学有一个世界一流的、持续耕耘了几十年的加速器工程团队，为分子电影的下一步发展提供了保障。

分子电影是一个“利用加速器工程仪器，采取物理学实验方法，研究化学问题”的学科交叉的典型示范。在杨杰看来，正是因为思考化学反应中无法实现分子动态追踪的问题，才会引入电子加速器作为探测手段。同时，解决问题过程中产生的各种想法，也对电子加速器下一步发展提供了重要反馈。这是一个双方相辅相成、共同迭代升级的过程。

“可能在未来解决更多液相溶液中化学反应的动态追踪技术时，还会遇到很多实际问题，但对这些问题的持续思考将有利于催生出更具创新性的解决方案。”他说。

好了，关于清华大学杨杰：突破原子级时空分辨率的仪器需求，实现对分子结构演化的直接捕捉就讲到这。