中国科学院近代物理研究所原子物理中心苑航博士、许慎跃研究员和马新文研究员等在分子库仑爆炸成像研究方面取得重要进展，利用兰州重离子加速器提供的高电荷态离子束流实现了对复杂分子的高精度结构成像 。
复杂分子高精度成像面临挑战
分子是构成我们所生存的物质世界的一种基本单元。原子按照一定的键合顺序和空间排列而结合在一起，形成了各种各样的分子，并决定了分子的性质。
图 原子、分子与物质世界 图源| facts.net
原子是怎样排列的？不同的排列方式是如何决定分子性质的？ 要回答这些问题，就需要知道分子的结构 。对分子结构的高精度成像，不仅有助于深入揭示分子的微观结构和反应动力学机制，还对认识星际物质的演化，天体化学，生物分子功能解析以及新药物研发等具有潜在的价值。
1986年，科学家利用薄箔剥离加速运动分子离子的多个核外电子，首次利用库仑爆炸成像技术实现了分子离子结构的可视化。自此，库仑爆炸成像被认为是在原子尺度对分子结构成像的有效手段 。
图 库仑爆炸成像实验示意图 图源| Z. Vager et al. Science 244, 426 (1989)
库仑爆炸成像技术通过快速剥离多个电子，使分子在库仑排斥力作用下迅速爆炸碎裂，并进一步探测碎片动量反演分子结构。与电子或x射线衍射等其它成像手段相比，库仑爆炸成像技术具有对氢原子和其它较重原子的同等探测灵敏度以及可直接获取分子三维信息的优势 ，在研究气相分子和弱束缚体系的结构成像和超快动力学演化中具有显著的应用潜力。
长期以来，科学家主要采用光电离手段诱导分子的库仑爆炸，适用范围主要集中在原子数不超过5个 的简单分子体系。然而，针对更为复杂的分子体系，要实现高精度成像却面临着相当的挑战。
近年来，利用自由电子激光或飞秒激光提供的超强脉冲束，科学家实现了对由10个原子组成的分子的库仑爆炸成像。但由于受到脉冲宽度、多重电离时间尺度等因素制约，分子在完全电离前会发生明显的结构改变，限制了成像精度。尤其是含氢原子的有机分子体系 ，由于氢原子质量较轻，其在分子完全电离前的快速运动会导致位置发生明显变化，从而使得测量结果与分子实际键长存在明显偏差。
那么，怎样才能实现对复杂分子的精确成像呢?高电荷态离子具有独特优势
在近期发表在Physical Review Letters的一篇研究中，中国科学院近代物理研究所原子物理中心研究团队发展了利用高电荷态离子对复杂分子高精度成像的方法。研究表明，高电荷态离子在库仑爆炸成像方面具有独特优势 。
利用兰州重离子加速器，研究团队选用112.5 keV/u的C5+ 离子束，以C4H4N2分子为模型开展碰撞实验。在高电荷态离子的作用下，分子在极快、极强的电场脉冲下曝光，在不到一飞秒的时间内完成碰撞，并被剥离10个以上电子。 这一关键特性有效克服了分子结构在库仑爆炸前发生变化的问题。研究团队利用反应显微成像谱仪，通过符合测量末态中的H+、C2+、C+ 和N+ 碎片并重构其动量，实现了对复杂分子的高精度结构成像。
此外，团队还提出了一种利用“指纹信息”鉴别同分异构体的新方案 。该分析方法在给出碎片离子荷质比的同时，能够进一步以不同碎片之间的角度关联作为指纹信息，实现同分异构体鉴别。这与只分析荷质比信息的传统质谱方法相比，具有明显优势。
研究表明，利用高电荷态离子诱导分子库仑爆炸，能够对复杂分子极快极强曝光，从而同时实现对分子中氢原子和较重原子的高精度成像。这项研究将有望促进加速器在分子结构成像领域的应用。
