里程碑式突破！中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)立體動(dòng)力學(xué)精準(zhǔn)調(diào)控

用激光控制HD分子化學(xué)鍵的方向，使其以兩種構(gòu)型與H原子發(fā)生碰撞。　中科院大連化物所 供圖

中新網(wǎng)北京1月13日電 (記者 孫自法)面對(duì)無處不在的化學(xué)反應(yīng)，如何精確調(diào)控是化學(xué)科學(xué)研究的核心目標(biāo)之一。隨著人類對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)不斷深入到原子分子尺度和量子態(tài)層面，如何在微觀水平上進(jìn)一步發(fā)展精確調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的原理和方法，也成為科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)。

來自中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(中科院大連化物所)的最新消息說，該所楊學(xué)明院士、肖春雷研究員實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合張東輝院士、張兆軍副研究員理論團(tuán)隊(duì)，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合取得一項(xiàng)重要進(jìn)展，他們通過控制分子化學(xué)鍵方向，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的立體動(dòng)力學(xué)精準(zhǔn)調(diào)控。

這項(xiàng)重要化學(xué)研究成果論文，北京時(shí)間1月13日上午以長文(research article)形式在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)發(fā)表，審稿人高度評(píng)價(jià)認(rèn)為，該研究成果是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域里程碑式的突破。

中科院大連化物所研究人員在控制氫分子化學(xué)鍵取向的激光器前工作。　中科院大連化物所 供圖

中科院大連化物所聯(lián)合團(tuán)隊(duì)介紹說，化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是原子、分子等微觀粒子相互碰撞并引發(fā)舊化學(xué)鍵斷裂、新化學(xué)鍵形成的過程。立體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)中一個(gè)基礎(chǔ)而重要的問題，關(guān)注的是碰撞過程中反應(yīng)物分子的空間取向?qū)Ψ磻?yīng)過程有何影響。立體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的根源在于反應(yīng)物分子并非簡單的質(zhì)點(diǎn)，而是有著具體的結(jié)構(gòu)和形狀。

例如，氫分子由兩個(gè)氫原子通過共價(jià)鍵連接形成，就像一個(gè)“啞鈴”。因此，當(dāng)另一個(gè)反應(yīng)物與氫分子發(fā)生碰撞時(shí)，它從氫分子的一端發(fā)起攻擊，或者直接攻擊氫分子的共價(jià)鍵，這兩種情況的反應(yīng)幾率和相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程可能會(huì)表現(xiàn)出明顯的差別。一直以來，如何利用化學(xué)反應(yīng)中的立體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程和結(jié)果的精細(xì)控制，是化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究中的前沿問題之一。

氫分子是最簡單的分子，并且其是非極性雙原子分子，在與另一分子相互接近的過程中，不容易發(fā)生取向變化。因此，氫分子參與的基元化學(xué)反應(yīng)是研究立體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的理想模型。不過，此前人們難以在實(shí)驗(yàn)上制備足夠數(shù)量的具有特定取向的氫分子，因而無法研究相關(guān)反應(yīng)中的立體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，楊學(xué)明、肖春雷實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)研制出高能量、單縱模納秒脈沖光參量振蕩放大器，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫分子的立體動(dòng)力學(xué)調(diào)控。該團(tuán)隊(duì)通過在受激拉曼激發(fā)過程中操控激光光子的偏振方向，在分子束中將氫分子制備于特定的振轉(zhuǎn)激發(fā)態(tài)，同時(shí)賦予氫分子的化學(xué)鍵特定的空間取向。

在0.50eV碰撞能下，兩種不同的碰撞構(gòu)型的H+HD→H2+H反應(yīng)的微分反應(yīng)截面差異非常明顯?！≈锌圃捍筮B化物所 供圖

該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步利用基于極紫外激光技術(shù)的態(tài)-態(tài)分辨氫原子里德堡態(tài)飛行時(shí)間譜探測(cè)方法，結(jié)合交叉分子束技術(shù)，仔細(xì)測(cè)量在0.50、1.20、2.07電子伏的三個(gè)碰撞能量下，兩種不同構(gòu)型的氫氘分子(HD)與氫(H)原子的H+HD→H2+D反應(yīng)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的氫分子(H2)的量子態(tài)和散射角度分布存在顯著的立體動(dòng)力學(xué)差異。

為理解其中的動(dòng)力學(xué)過程，張東輝、張兆軍理論團(tuán)隊(duì)開展非絕熱量子動(dòng)力學(xué)模擬，精確重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)所觀測(cè)到的現(xiàn)象，并結(jié)合極化微分截面理論方法，詳細(xì)分析該反應(yīng)中存在的立體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，揭示出量子干涉現(xiàn)象在垂直碰撞構(gòu)型反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

“之前的化學(xué)反應(yīng)研究可能像‘抽盲盒’，它是由本來的量子屬性決定好的，科研人員不能隨便控制，我們只能有一定的概率抽取到想要的結(jié)果。”張東輝形象解釋說，“但現(xiàn)在我們可以通過精確的控制，激發(fā)特定化學(xué)鍵并控制它的方向，直接得到自己想要的結(jié)果?！?/p>

中科院大連化物所表示，該所聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過高精度的實(shí)驗(yàn)和理論研究，成功驗(yàn)證通過氫分子量子態(tài)空間取向的操控，可以對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，這表明人類對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)和調(diào)控達(dá)到一個(gè)新的高度。(完)