中新網(wǎng)北京1月13日電 (記者 孫自法)面對無處不在的化學反應，如何精確調(diào)控是化學科學研究的核心目標之一。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)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，也成為科學家們孜孜以求的目標。

來自中國科學院大連化學物理研究所(中科院大連化物所)的最新消息說，該所楊學明院士、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，強強聯(lián)合取得一項重要進展，他們通過控制分子化學鍵方向，實現(xiàn)化學反應的立體動力學精準調(diào)控。

這項重要化學研究成果論文，北京時間1月13日上午以長文(research article)形式在國際著名學術(shù)期刊《科學》(Science)發(fā)表，審稿人高度評價認為，該研究成果是反應動力學領(lǐng)域里程碑式的突破。

【資料圖】

中科院大連化物所聯(lián)合團隊介紹說，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(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。不過，此前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，因而無法研究相關(guān)反應中的立體動力學現(xiàn)象。

針對這一挑戰(zhàn)，楊學明、肖春雷實驗團隊研制出高能量、單縱模納秒脈沖光參量振蕩放大器，實現(xiàn)對氫分子的立體動力學調(diào)控。該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。

該實驗團隊又進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)飛行時間譜探測方法，結(jié)合交叉分子束技術(shù)，仔細測量在0.50、1.20、2.07電子伏的三個碰撞能量下，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。

為理解其中的動力學過程，張東輝、張兆軍理論團隊開展非絕熱量子動力學模擬，精確重現(xiàn)實驗團隊所觀測到的現(xiàn)象，并結(jié)合極化微分截面理論方法，詳細分析該反應中存在的立體動力學效應，揭示出量子干涉現(xiàn)象在垂直碰撞構(gòu)型反應中發(fā)揮重要作用。

“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?！睆垨|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)合團隊通過高精度的實驗和理論研究，成功驗證通過氫分子量子態(tài)空間取向的操控，可以對化學反應進行精細調(diào)控，這表明人類對化學反應的認識和調(diào)控達到一個新的高度。

關(guān)鍵詞： 化學反應