IT之家 1 月 16 日消息，據(jù)中科院大連化物所官方消息，如何精確調(diào)控化學反應是化學科學研究的核心目標之一。在化工生產(chǎn)過程中，工程師們通過添加催化劑、改變化學過程的溫度、壓力等宏觀參數(shù)，可以在一定程度上控制化學反應，得到所需的化學反應產(chǎn)物。隨著人類對化學反應的認識不斷深入到原子分子尺度和量子態(tài)的層面，如何在微觀水平上進一步發(fā)展精確調(diào)控化學反應的原理和方法，成為許多科學家孜孜以求的目標。
近日，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“中科院大連化物所”）楊學明院士、肖春雷研究員實驗團隊聯(lián)合張東輝院士、張兆軍副研究員理論團隊，在這一研究方向上取得重要進展，通過控制分子化學鍵方向，實現(xiàn)了化學反應的立體動力學精準調(diào)控。相關成果于北京時間 1 月 13 日以長文（research article）的形式發(fā)表在《科學》（Science）雜志上。審稿人對于該工作給予了高度評價，認為它是反應動力學領域里程碑式的突破（a milestone in the field of reaction dynamics）。
化學反應的實質(zhì)是原子、分子等微觀粒子相互碰撞并引發(fā)舊化學鍵斷裂、新化學鍵形成的過程。立體動力學效應是化學反應中一個基礎而重要的問題，關注的是碰撞過程中反應物分子的空間取向?qū)Ψ磻^程有何影響。立體動力學效應的根源在于反應物分子并非簡單的質(zhì)點，而是有著具體的結構和形狀。例如，氫分子由兩個氫原子通過共價鍵連接形成，就像一個“啞鈴”。因此，當另一個反應物與氫分子發(fā)生碰撞時，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鍵，這兩種情況的反應幾率和相應的動力學過程可能會表現(xiàn)出明顯的差別。一直以來，如何利用化學反應中的立體動力學效應，實現(xiàn)對化學反應過程和結果的精細控制，是化學動力學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反應是研究立體動力學效應的理想模型。但一直以來，人們難以在實驗上制備足夠數(shù)量的具有特定取向的氫分子，因此無法研究相關反應中的立體動力學現(xiàn)象。
針對這個挑戰(zhàn)，楊學明、肖春雷實驗團隊研制了高能量、單縱模納秒脈沖光參量振蕩放大器，實現(xiàn)了對氫分子的立體動力學調(diào)控。團隊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)，同時賦予氫分子的化學鍵特定的空間取向。
進一步地，利用基于極紫外激光技術的態(tài) — 態(tài)分辨氫原子里德堡態(tài)飛行時間譜探測方法，結合交叉分子束技術，實驗研究團隊仔細測量了在 0.50 eV、1.20 eV、2.07 eV 三個碰撞能量下，兩種不同構型的氫氘分子（HD）與氫（H）原子的 H+HD → H2+D 反應結果，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力學差異。
為了理解其中的動力學過程，張東輝、張兆軍理論團隊開展了非絕熱量子動力學模擬，精確重現(xiàn)了實驗所觀測到的現(xiàn)象，并結合極化微分截面理論方法，詳細分析了該反應中存在的立體動力學效應，揭示了量子干涉現(xiàn)象在垂直碰撞構型反應中發(fā)揮了重要的作用。
“之前的化學反應研究可能像‘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果?！睆垨|輝說，“但現(xiàn)在我們可以通過精確的控制，激發(fā)特定化學鍵并控制它的方向，直接得到自己想要的結果?！?/p>
該工作通過高精度的實驗和理論研究，驗證了通過氫分子量子態(tài)空間取向的操控，可以對化學反應進行精細調(diào)控，表明了人類對化學反應的認識和調(diào)控達到了一個新的高度。
該論文的共同第一作者是中科院大連化物所博士后王玉奉和黃嘉宇。相關研究工作得到了科技部科技創(chuàng)新 2030 重大項目、國家自然科學基金、中國科學院科研儀器設備研制項目等的支持。
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