分子间的π-堆积相互作用广泛存在于生物大分子体系中，是影响和控制蛋白质折叠、DNA双螺旋结构、分子识别和自组装、DNA-药物相互作用等物理化学特征的关键因素。苯二聚体(C6H6)2是研究π-堆积作用的原型分子（图1d），在物理、化学、分子生物学和材料科学等领域具有重要的基础研究价值。近期，在复杂原子分子体系（范德瓦尔斯团簇、氢键体系）电离过程的研究中，人们发现其中一个分子的退激发过程可能引发分子间超快能量转移（飞秒时间尺度）以及环境分子的进一步电离，即分子间的库仑衰变（intermolecular Coulombic decay, ICD）。目前，这一新奇的物理现象在π-堆积复杂分子体系中是否存在仍是未知，而从根本上揭示生物大分子体系中的ICD过程仍是一个极具挑战性的科学难题。
图1 a-c,电子束诱导苯二聚体分子间库仑衰变过程
a、入射电子与苯分子碰撞敲出其中一个内壳层C2s电子；b、该分子的退激发过程引发分子间库仑衰变使其发生二次电离并导致分子间键断裂；c、两个分子离子在库仑排斥作用下分离-库仑爆炸；d、苯二聚体4种基本构型。[取自文献]
西安交通大学物理学院任雪光教授团队及其合作者利用多粒子符合动量成像谱仪（反应谱仪）结合超音速生物冷靶和脉冲光电子源技术，开展电子束与苯二聚体碰撞电离实验。研究表明，当生物体系暴露于电离辐射时，可能会发生超乎预想的更具破坏性的连锁反应。在苯二聚体中，苯分子C2s态内壳层电离将引发分子间的能量转移，从而使第二个苯分子电离并释放一个低能电子，两个分子离子在库仑排斥作用下分离-库仑爆炸（图1a-c）。实验测量了反应后出射的电子和离子，并结合第一性原理计算和分子动力学模拟，系统还原了苯二聚体电离解离过程，证实了π-堆积有机生物分子体系中存在超快分子间库仑衰变现象。该反应过程直接破坏两个相邻的生物分子并最终导致键断裂，同时产生具有生物毒性的低能电子（< 10 eV）及分子自由基，而这将对细胞或DNA链等产生不可逆转的破坏。该研究工作为解析生物大分子结构和动力学、揭示DNA辐照损伤机理开辟了新的途径，也将为发展精准医疗技术提供有效指导，有望推动原子分子物理研究向复杂分子体系的拓展和应用。
上述研究成果以“基于内价层电离π-堆积芳香环分子间的超快能量转移（Ultrafast energy transfer between π-stacked aromatic rings upon inner-valence ionization）”为题于2021年12月20日发表在《自然化学》（Nature Chemistry）上。西安交通大学物理学院任雪光教授为文章第一作者兼通讯作者，西安交通大学物理学院及教育部物质非平衡合成与调控重点实验室是该论文第一作者单位，物理学院博士生周家琪、杨涛研究员、徐忠锋教授作为主要作者参与该项工作。该研究工作得到了国家自然科学基金、西安交大青年拔尖人才计划及中央高校基本科研业务费等项目资助。
任雪光教授团队一直从事原子/分子/团簇碰撞结构与动力学的相关研究工作，自主研制建设原子/分子反应动力学实验平台，近年来围绕电子与原子/分子/团簇碰撞问题已在《自然物理》（Nature Physics）、《自然化学》（Nature Chemistry）、 《自然通讯》（Nature Communications）、《物理评论快报》（Physical Review Letters）等国际学术期刊发表多篇论文。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41557-021-00838-4
