分子間的π-堆積相互作用廣泛存在于生物大分子體系中，是影響和控制蛋白質(zhì)折疊、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、分子識別和自組裝、DNA-藥物相互作用等物理化學(xué)特征的關(guān)鍵因素。苯二聚體(C6H6)2是研究π-堆積作用的原型分子（圖1d），在物理、化學(xué)、分子生物學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域具有重要的基礎(chǔ)研究價值。近期，在復(fù)雜原子分子體系（范德瓦爾斯團簇、氫鍵體系）電離過程的研究中，人們發(fā)現(xiàn)其中一個分子的退激發(fā)過程可能引發(fā)分子間超快能量轉(zhuǎn)移（飛秒時間尺度）以及環(huán)境分子的進一步電離，即分子間的庫侖衰變（intermolecular Coulombic decay, ICD）。目前，這一新奇的物理現(xiàn)象在π-堆積復(fù)雜分子體系中是否存在仍是未知，而從根本上揭示生物大分子體系中的ICD過程仍是一個極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。

西安交通大學(xué)物理學(xué)院任雪光教授團隊及其合作者利用多粒子符合動量成像譜儀（反應(yīng)譜儀）結(jié)合超音速生物冷靶和脈沖光電子源技術(shù)，開展電子束與苯二聚體碰撞電離實驗。研究表明，當(dāng)生物體系暴露于電離輻射時，可能會發(fā)生超乎預(yù)想的更具破壞性的連鎖反應(yīng)。在苯二聚體中，苯分子C2s態(tài)內(nèi)殼層電離將引發(fā)分子間的能量轉(zhuǎn)移，從而使第二個苯分子電離并釋放一個低能電子，兩個分子離子在庫侖排斥作用下分離-庫侖爆炸（圖1a-c）。實驗測量了反應(yīng)后出射的電子和離子，并結(jié)合第一性原理計算和分子動力學(xué)模擬，系統(tǒng)還原了苯二聚體電離解離過程，證實了π-堆積有機生物分子體系中存在超快分子間庫侖衰變現(xiàn)象。該反應(yīng)過程直接破壞兩個相鄰的生物分子并最終導(dǎo)致鍵斷裂，同時產(chǎn)生具有生物毒性的低能電子（< 10 eV）及分子自由基，而這將對細(xì)胞或DNA鏈等產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞。該研究工作為解析生物大分子結(jié)構(gòu)和動力學(xué)、揭示DNA輻照損傷機理開辟了新的途徑，也將為發(fā)展精準(zhǔn)醫(yī)療技術(shù)提供有效指導(dǎo)，有望推動原子分子物理研究向復(fù)雜分子體系的拓展和應(yīng)用。

上述研究成果以“基于內(nèi)價層電離π-堆積芳香環(huán)分子間的超快能量轉(zhuǎn)移（Ultrafast energy transfer between π-stacked aromatic rings upon inner-valence ionization）”為題于2021年12月20日發(fā)表在《自然化學(xué)》（Nature Chemistry）上。西安交通大學(xué)物理學(xué)院任雪光教授為文章第一作者兼通訊作者，西安交通大學(xué)物理學(xué)院及教育部物質(zhì)非平衡合成與調(diào)控重點實驗室是該論文第一作者單位，物理學(xué)院博士生周家琪、楊濤研究員、徐忠鋒教授作為主要作者參與該項工作。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、西安交大青年拔尖人才計劃及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等項目資助。

任雪光教授團隊一直從事原子/分子/團簇碰撞結(jié)構(gòu)與動力學(xué)的相關(guān)研究工作，自主研制建設(shè)原子/分子反應(yīng)動力學(xué)實驗平臺，近年來圍繞電子與原子/分子/團簇碰撞問題已在《自然物理》（Nature Physics）、《自然化學(xué)》（Nature Chemistry）、《自然通訊》（Nature Communications）、《物理評論快報》（Physical Review Letters）等國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇論文。