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使用能源部SLAC国家加速器实验室的高速“电子相机”和尖端的量子模拟，科学家们直接成像了光化学“过渡态”，这是分子原子的特定配置，决定了化学结果，在分子α-松油烯的开环反应中。这是科学家首次通过光化学开环反应精确跟踪分子结构，当光能被物质分子吸收时触发。

发表在Nature Communications上的研究结果可以进一步加深我们对化学中至关重要的类似反应的理解，例如我们体内维生素D的产生。

过渡态通常发生在化学反应中，化学反应不是由光而是由热触发。它们就像参与化学反应的分子的不归路：当分子获得推动反应所需的能量时，它们会在完成转化为新分子之前将自己重新排列成转瞬即逝的配置。

“过渡状态真的告诉你很多关于反应如何以及为什么发生，”合著者和SLAC科学家托马斯沃尔夫说。“对光化学反应中类似关键构型的研究可以更好地理解在化学和生物学中起关键作用的反应。重要的是，我们现在可以使用我们的衍射技术来观察这种反应的一些特定特征。

到目前为止，还没有足够灵敏的方法来捕捉这些转瞬即逝的状态，这些状态只持续十亿分之一秒的百万分之一秒。在SLAC的超快电子衍射仪器MeV-UED上，研究人员通过气体发送高能量的电子束，以数百万电子伏特(MeV)为单位，以精确测量气体中分子内原子之间的距离。在初始激光闪光后以不同的间隔拍摄这些距离的快照，使科学家能够创建分子中光诱导原子重排的定格动画电影。

“这些反应对于理解支撑光化学的量子力学非常重要，”SLAC科学家和合著者Yusong Liu说。“将我们的实验结果与反应的量子模拟进行比较，使我们能够高度准确地了解分子的行为方式，并对理论和计算方法的预测能力进行基准测试。

在之前对相关反应的研究中，MeV-UED允许该团队捕获电子和原子核之间的协调舞蹈。这些结果首次直接证实了半个世纪以来关于最终产物的立体化学或其原子的三维排列的规则。

在本实验中，研究人员发现原子重排的某些部分比其他部分更早发生，这解释了为什么反应会产生特定的立体化学。

“我最近回顾了我在大学里做的一些关于这些类型的反应和预测结果的著名规则的旧演讲。但这些规则实际上并没有解释反应发生的原因和方式。沃尔夫说。“现在我回到这个问题，可以开始回答这些问题，这让我非常兴奋。

沃尔夫说，做这些实验的另一个重要动机是，同样的反应也发生在生物过程中，例如人体皮肤中维生素D的生物合成。研究人员计划进行后续研究，进一步探索这种联系。

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