质子转移反应是一种在多个领域中具有重要应用的过程，涵盖了核能、空间探索以及环境保护等诸多方面。由于这一反应发生的时间极短，常规的超快检测方法往往无法捕捉到这一瞬时变化。近期，美国能源部阿贡实验室领导的国际合作团队，借助超快X射线自由电子激光脉冲，成功捕捉到了液态水在电离后的质子转移过程。这项研究成果于1月10日发表在《科学》杂志上，标志着对这一反应机制的观察迈出了重要的一步。
当高能辐射照水分子上时，便会引发一系列快速而瞬间的反应。辐射会把水分子中的一个电子打散，导致水分子带上正电荷，形成H2O+（2为下标，+为上标）离子。这个离子的存在时间极其短暂，几乎不可能在常规实验中直接观测到。在不到一万亿分之一秒的时间内，H2O+会将一个质子转移给邻近的水分子，生成水合氢离子和羟基自由基。尽管科学界在20世纪60年代便已发现这一现象，但直到最近，借助SLAC加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)提供的超快X射线探测技术，研究人员才得以成功捕捉到这一过程中的正电荷离子的存在。
SLAC实验室的仪器科学家Bill Schlotter表示：“能够捕捉到水分子的质子转移过程，关键在于LCLS提供的超短X射线脉冲。通过精确调整这些脉冲的‘颜色’，我们能够区分出在反应中参与的具体离子和分子。”LCLS的这一“定格”技术，使得研究人员首次得以观察到羟基自由基在时间上的演变。
根据研究人员Young的说法，尽管科学家们期望能够直接从光谱中分离出H2O+的特征，但由于其寿命实在太短，几乎无法直接探测。科学家只能通过观察OH自由基的光谱，推断H2O+的存在。质子转移的超快反应产生了羟基自由基，进而形成了一种独特的光谱特征，这些特征恰好是H2O+生成的“时间戳”。Young认为，这些物质的光谱信号能够捉到，因为它们位于一个特殊的“水窗口”内，在这一范围内，液态水对光的吸收极为有限。
来自德国DESY自由电子激光科学中心的Robin Santra教授，领导了这项理论研究。他解释道：“通过超快X射线吸收技术，我们可以揭示电离和质子转移发生的区域，以及在极短时间内，电子和原子核的动态变化。在不到50万亿分之一秒的时间内，周围的水分子会迅速到电离的H2O+附近，当它们足够接近时，水分子便会捕捉到H2O+的质子，转变为水合氢离子，同时释放出羟基自由基。”
Young教授补充道：“这项研究的突破性成果是，我们不仅成功构建了一种方法来观察水中质子转移的反应过程，还开发了一种全新的羟基自由基探测手段。如今，我们不仅能够测量质子转移的时间尺度，还能够在极短时间内复杂反应体系中羟基自由基的动态。”
尽管研究过程中揭示的超快化学反应本身极具吸引力，但科学家们认为，理解羟基自由基的形成机制具有更为广泛的实际意义。这一发现对于如核废料处理、环境修复等领域的应用，提供了重要的理论支持和技术参考。