中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 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，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(guān)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(lǐng)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(chǔ)而重要的問題，關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)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(guān)反應中的立體動力學現(xiàn)象。

據(jù)介紹，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。

用激光控制HD分子化學鍵的方向，使其以兩種構(gòu)型與H原子發(fā)生碰撞。z軸為HD分子和H原子的相對運動方向。利用激光，研究團隊可以將HD分子制備于兩種不同的碰撞構(gòu)型：在第一種構(gòu)型中，HD的鍵軸分布平行于z軸（左圖）；在另一種構(gòu)型中，HD的鍵軸分布垂直于z軸（右圖）。用于受激拉曼激發(fā)的泵浦光、斯托克斯光激光沿y軸方向傳播，綠色、紅色雙箭頭表示它們的偏振方向。

進一步地，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)飛行時間譜探測方法，結(jié)合交叉分子束技術(shù)，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(gòu)型的氫氘分子（HD）與氫（H）原子的H+HD→H₂+D反應結(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力學差異。

在0.50 eV碰撞能下，兩種不同的碰撞構(gòu)型的H+HD→H₂+H反應的微分反應截面差異非常明顯（左列：通過交叉分子束實驗測量得到；右列：通過量子動力學理論模擬得到）。圖中不同圓環(huán)代表不同振轉(zhuǎn)態(tài)的H₂分子產(chǎn)物，圓環(huán)的高度代表在相應的散射方向上的H₂分子產(chǎn)物的相對數(shù)量。

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(jié)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(gòu)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(jié)果。”張東輝說，“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(jié)果。”

據(jù)悉，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。

大連化物所研究人員在控制氫分子化學鍵取向的激光器前工作。