超快分子动力学的科学目标是直接观测化学反应过程中原子及电子的运动。超快分子动力学成像需要极高的时间、空间分辨率，可为研究并控制化学反应、分子相变等提供实验上的依据。在分子动力学成像技术发展的早期，由于时空分辨率、信号强度、样品制备等条件的限制，研究者只能把这种直接观测过程称为“理想实验”。随着超快激光、X射线自由电子激光、电子加速器等技术的发展，基于超快激光强场效应的隧道电离、激光诱导光电子再散射以及高次谐波产生过程，超快X射线衍射、超快电子衍射（显微镜）等成像手段已可实现超高时空分辨能力，并逐渐应用于各类分子超快成像中。通过测量分子在化学反应、相变等过程中不同时刻的衍射信号，可获得化学键长、粒子动量分布等信息随时间的变化，由此“逐帧”还原超快分子动力学过程，这些技术被广泛应用于制作“分子电影”。

近期，人工微结构和介观物理国家重点实验室主任刘运全教授应物理化学领域著名期刊《物理化学快报》（The Journal of Physical Chemistry Letters, JPCL）主编Gregory Scholes教授特邀，撰写Perspective（洞察与前瞻）专栏文章，对超快分子动力学成像领域进行系统地总结和展望。

论文总结了实现超快分子动力学成像的多种方法，其中包括通过高次谐波产生过程和光电子衍射过程的成像，该过程利用了激光诱导电子电离和再散射等强场效应；库仑爆炸成像则通过探测碎片离子的动量来获取分子结构信息；超快X射线衍射以及电子衍射成像，则是通过分析倒空间中的衍射图样得到所需结构参数的分布信息。在此基础上，论文介绍并展望了上述超快成像方法在分子动力学中的各种应用，涵盖了气相、液相以及固相分子中的超快成像实验，其中重点展望了气相单分子衍射成像技术的潜在应用，并指出当前超快分子动力学成像技术仍存在较大的提升空间。比如在文章中给出了模拟CF₃I分子在激发态的动态衍射图案（图1），其中计算得到的PD（percentage difference）信号可以用于解析CF₃I分子Jahn-Teller形变的动力学过程，未来超快电子、X射线衍射有望对其进行实时观测；对于结构复杂的分子，比如吡啶分子，其电子衍射图案相较于X射线衍射图案能够更灵敏地反映出非弹性散射的部分（图2），基于这一特点，文章对准确分离和解释非弹性散射信号的进一步研究给出了展望。

图1  模拟得到的CF₃I分子处于³E态下的x射线衍射结果，其中第二种构型在第一种构型上增加了4.5°的偏移

图2  x射线衍射和电子衍射下吡啶分子关于nл^*的信号对比

2022年2月11日，论文以“基于超快低频激光、X射线自由电子激光、电子脉冲的超快分子动力学成像”（Ultrafast Imaging of Molecular Dynamics Using Ultrafast Low-Frequency Lasers, X‑ray Free Electron Lasers, and Electron Pulses）为题发表在J. Phys. Chem. Lett. 上。北京大学物理学院现代光学所2020级博士生张明同学为第一作者，李铮助理教授和刘运全教授为通讯作者。

研究工作得到国家自然科学基金、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、山西大学极端光学协同创新中心、北京大学长三角光电科学研究院等支持。

ACS美国化学会相关报道：https://mp.weixin.qq.com/s/pfJNapDy9rNriuf2UlTEwA

论文原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.1c03916?ref=acswechat。