电子溶剂化中空腔的形成和消失：时间分辨X射线吸收光谱的研究

最近一篇论文使用了时间分辨的 X 射线吸收光谱技术，来研究电子在液态水中的溶剂化过程。他们发现了一些非常有意思的现象，比如电子溶剂化中空腔的形成，以及电子与水分子的相互作用。这些现象对于理解水的物理化学性质，以及水在生命和能源领域的应用，都有重要的意义。

什么是电子溶剂化

首先，我们来看看什么是电子溶剂化。电子溶剂化是指一个自由电子被一个极性溶剂（比如水）包围的过程。这个过程可以通过一些方式实现，比如用高能光子或者电子束轰击溶液，从而产生电离或者激发的水分子，然后这些水分子会释放出电子，或者把电子转移给其他水分子。这些电子就会在溶液中游走，直到它们被溶剂分子捕获，或者被其他物质消除。

电子溶剂化是一个非常快速的过程，它的时间尺度大约是飞秒到皮秒的量级。在这个过程中，溶剂分子会对电子产生强烈的吸引力，因为电子是一个负电荷，而溶剂分子（比如水）是一个偶极子，它有正负两极。所以，溶剂分子会倾向于把自己的正极对准电子，从而形成一个电子溶剂化壳层，这个壳层会把电子包裹起来，使它难以逃逸。这个壳层的厚度大约是几个溶剂分子的大小，比如对于水来说，大约是 0.5 纳米。

电子溶剂化壳层的形成，会导致溶剂分子的排列发生变化，从而影响溶液的结构和性质。比如，溶剂分子会在电子周围形成一个空腔，这个空腔的半径大约是 0.2 纳米，它相当于一个微小的气泡，里面只有一个电子。这个空腔的存在，会降低溶液的密度，增加溶液的体积，改变溶液的折射率和介电常数等物理量。这些变化，可以通过一些光谱技术来探测和测量，从而揭示电子溶剂化的机理和动力学。

如何用X射线光谱学研究电子溶剂化

接下来，我们来看看这篇论文是如何用 X 射线光谱学来研究电子溶剂化的。X 射线光谱学是一种利用 X 射线与物质相互作用的现象，来分析物质的结构和性质的技术。X 射线是一种高能的电磁波，它的波长大约是 0.01 纳米到 10 纳米之间，它可以穿透很多物质，比如金属、岩石、水等。当 X 射线照射到物质上时，它会与物质中的原子或者分子发生各种相互作用，比如散射、吸收、发射等。通过测量这些相互作用的强度和能量，我们就可以得到物质的一些信息，比如原子或者分子的种类、数量、位置、键长、键角、电荷分布等。

在这篇论文中，作者们使用了一种叫做时间分辨 X 射线吸收光谱（TR-XAS）的技术，来研究电子溶剂化的过程。这种技术的原理是这样的：首先，用一束高能的激光脉冲（比如X 射线）来轰击溶液，从而产生电子溶剂化的初始状态；然后，用另一束能量稍低的 X 射线脉冲来探测溶液的变化，这个 X 射线脉冲的延迟时间可以调节，从而实现对不同时间点的观测；最后，通过分析 X 射线脉冲在溶液中的吸收情况，来得到溶液中的电子、OH 自由基、H3O 离子等物种的浓度和分布的变化。这种技术的优点是，它可以实现对电子溶剂化过程的实时监测，而且可以提供原子级别的信息，比如电子溶剂化壳层的形成和空腔的大小等。

电子溶剂化中空腔的形成是怎样的？

最后，我们来看看这篇论文的主要发现和结论。作者们使用了 TR-XAS 技术，对电离液态水的 X 射线吸收光谱进行了测量，他们发现了以下几个有趣的现象：

- 在电离液态水后的第一个飞秒内，电子会被水分子快速捕获，形成一个电子溶剂化壳层，这个壳层的厚度大约是 0.5 纳米，它包含了大约 100 个水分子。这个壳层的形成，会导致水分子的电子密度发生变化，从而在 X 射线吸收光谱中产生一个特征的峰，这个峰叫做电子溶剂化峰，它的能量大约是 535 电子伏特。

- 在电子溶剂化壳层的形成过程中，水分子会在电子周围形成一个空腔，这个空腔的半径大约是 0.2 纳米，它相当于一个微小的气泡，里面只有一个电子。这个空腔的存在，会导致水分子的键长和键角发生变化，从而在 X 射线吸收光谱中产生另一个特征的峰，这个峰叫做空腔峰，它的能量大约是 540 电子伏特。

- 在电子溶剂化壳层和空腔的形成后的几个皮秒内，电子会与水分子发生反应，从而产生 OH 自由基和 H 3 O 离子。这些物种的生成，会导致水分子的氧原子和氢原子的 X 射线吸收边缘发生移动，从而在 X 射线吸收光谱中产生更多的特征峰，这些峰叫做 OH 峰和 H 3 O 峰，它们的能量分别是 537 电子伏特和 542 电子伏特。

- 在电子溶剂化壳层和空腔的形成后的几十个皮秒内，电子会与溶液中的其他物质发生反应，从而消失。这个过程叫做电子消除，它的速率取决于溶液的 pH 值和其他物质的浓度。当电子消除后，电子溶剂化壳层和空腔也会随之消失，从而使 X 射线吸收光谱恢复到初始状态。
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通过这些观察，作者们得到了以下几个结论：

- 电子溶剂化中空腔的形成是一个快速的过程，它的时间尺度是飞秒到皮秒的量级，它与电子溶剂化壳层的形成是同步的。

- 电子溶剂化中空腔的形成是一个热力学的过程，它是由于电子的高能量和水分子的偶极子相互作用导致的，它不需要任何外部的力或者场来维持。

- 电子溶剂化中空腔的形成是一个动态的过程，它会随着电子的反应和消除而消失，它的寿命取决于溶液的条件和环境。

这些结论对于理解电子溶剂化的机理和动力学，以及水的物理化学性质，都有重要的意义。它们也为进一步研究水在生命和能源领域的应用，提供了新的视角和方法。