研究揭示甲酸分子动态手性源于量子振动

一项于2026年1月在《物理评论快报》上发表的实验研究，对甲酸（Methanoic Acid，HCOOH）的分子结构认知提出了修正。传统观点认为甲酸分子是完全平面的结构，但该高精度实验数据显示，由于原子间持续的微小量子振动，该分子在瞬时状态下呈现三维构型，并在绝大多数时刻丧失对称性，表现出动态手性特征。这一发现的核心在于，分子几何不再被视为一个固定的静态属性，而是量子世界中不断演化的动态事件，其平面结构仅是所有方向振动运动的长时间平均结果。

该实验的突破性数据采集工作在德国汉堡的DESY加速器中心的PETRA III X射线源完成。研究团队利用高亮度X射线束诱导甲酸分子发生光电效应和奥格效应，进而引发分子库仑爆炸。通过使用COLTRIMS反应显微镜对这些连续过程进行符合测量，科学家得以精确反演出分子在爆炸瞬间的原始几何构型。关键的实验观察集中于两个氢原子极微小的振动，正是这些振动使得分子在极短时间尺度上倾向于采取手性构象，即其镜像与其自身无法重合。

这项研究由歌德大学法兰克福研究所核物理研究所的莱因哈德·多纳教授（Prof. Dr. Reinhard Dörner）领导的跨机构团队主导，成员还包括来自卡塞尔大学、马尔堡大学、内华达大学、弗里茨·哈伯研究所和马克斯·普朗克核物理研究所的科学家。多纳教授是COLTRIMS测量方法的共同创始人之一，该方法的成熟应用是本次高精度实验成功的关键。PETRA III作为全球高亮度存储环式X射线源之一，其专用的P21.1光束线为探测此类精微的分子动态过程提供了必要的超高亮度X射线。

此项发现的深远意义在于，它直接挑战了化学教科书中关于甲酸分子是完美平面结构的既有假设。在物理学背景下，这种持续的原子运动是量子效应的直接体现，特别是零点振动，它决定了微观粒子永不完全静止的特性。手性通常与分子的静态构造相关，而甲酸实验则展示了这种“手性”可以由量子涨落的动态过程瞬间诱发。

从更广阔的视角来看，这项工作标志着对分子动力学理解的重大进展，它促使研究超越理想化的静态模型，进入对瞬时几何的精确量化。鉴于手性在生物学中（如氨基酸和碳水化合物）扮演着至关重要的角色，量子涨落本身能够诱导出如手性这样的基本属性，暗示着自然界中对称性与非对称性起源的机制可能比以往认为的更为精妙和动态。这项研究对分子几何的动态定义，为理解微观世界的本质提供了新的物理学框架，即“几何在量子世界中是一个动态事件，而非一个静态属性”。