來源：《中國科學報》第1版 要聞

　　發布時間：2023-01-18

研究人員在控制氫分子化學鍵取向的激光器前工作。受訪者供圖

　　■本報見習記者 孫丹寧

　　化學反應無處不在，在化工生產過程中，工程師通過添加催化劑，改變化學過程的溫度、壓力等宏觀參數，在一定程度上控制化學反應得到所需產物。隨著人們對化學反應的認識達到原子分子尺度和量子態的水平，如何在更精細水平上對化學反應進行調控，成了化學科學研究的新課題。

　　中科院大連化學物理研究所楊學明院士、肖春雷研究員團隊聯合張東輝院士、張兆軍副研究員團隊從實驗和理論雙重角度，在H（氫）+HD（氫氘）反應中實現了立體動力學精準調控。相關成果近日發表于《科學》，審稿人評價該工作是“反應動力學領域里程碑式的突破”。

　　激光的妙用

　　立體動力學效應是化學反應中一個基礎而重要的問題，主要關注碰撞過程中反應物分子的空間取向對反應過程的影響。如何利用立體動力學效應實現對化學反應過程和結果的精細控制，是化學動力學的研究前沿。

　　氫分子是最簡單的分子，它就像一個啞鈴，由兩個氫原子通過類似“彈簧”的共價鍵連接而成。在與另一分子相互接近的過程中，由于氫分子是非極性雙原子分子，不容易發生取向變化，因此其參與的基元化學反應是研究立體動力學效應的理想模型。

　　“‘彈簧’可以伸長或縮短，當一個反應物與氫分子發生碰撞時，‘彈簧’的狀態就會導致化學反應表現出很大差異?！毙ご豪捉忉屨f。

　　化學反應的實質是微觀粒子相互碰撞并引發舊化學鍵斷裂、新化學鍵形成的過程。在碰撞過程中，控制分子化學鍵的方向十分困難。由于人們難以在實驗上制備足夠數量的具有特定取向的氫分子，因而無法研究相關反應中的立體動力學現象。

　　此時，研究團隊將視線投向了激光。激光具有極高的亮度，能發揮足夠強的作用來控制方向?！耙肟刂茪浞肿臃较?，對激光各方面參數要求很高——非常亮、顏色單一、波長穩定性好、長時間鎖定在分子躍遷譜線上?！闭撐牡谝蛔髡咄跤穹钫f。

　　針對這一挑戰，研究團隊自主研制了一種高能量、單縱模納秒脈沖光參量振蕩放大器。激光作用于氫分子后，可以將氫分子激發至振動激發態。由于振動激發態氫分子化學鍵的方向與激光電場方向相平行，改變激光的電場方向便可改變分子方向。而激光電場方向又被稱為偏振方向，可以簡單通過波片這一光學器件對其進行控制。波片如同船舵一般，通過轉動波片可以改變分子化學鍵的方向，從而控制氫分子在化學反應中的碰撞方向。

　　通過在受激拉曼激發過程中操控激光光子的偏振方向，楊學明、肖春雷實驗團隊可以在分子束中將能量高效注入氫分子的化學鍵，同時賦予化學鍵特定的空間取向，這便成了解決此問題的“關鍵先生”。

　　氫分子的碰撞

　　有了控制氫分子化學鍵方向的技術之后，化學反應的研究駛入了快車道。

　　化學反應都是通過碰撞發生的，而“交叉分子束”技術可以研究化學反應的碰撞過程，通過將反應物分子制備到特定的速度、量子態之后，再進行相互碰撞，可以獲得其中的反應機理信息。

　　團隊通過控制HD分子化學鍵的方向，研究了兩種典型的碰撞過程：平行碰撞與垂直碰撞。碰撞之后，反應得以發生，得到的氫分子與氘原子會散射到各個方向，就像臺球被碰撞后向四處散去，獲得了不同的散射方向。

　　反應物速度不同，產生的碰撞能量也不一樣?！熬拖駜奢v汽車對撞過程中速度不同，因此撞擊能量不同，碰撞產生的破壞力也有很大差別?！蓖跤穹罱忉屨f。

　　團隊進行了3種碰撞能量下的實驗，能量分別為0.5 eV、1.2 eV、2.07 eV，碰撞能量極高。實驗測量表明，在不同能量下，反應物HD以不同的取向發生碰撞，導致的結果也明顯不同。

　　理論與實驗的“雙劍合璧”

　　研究組內成員將張東輝和楊學明的合作稱為“雙劍合璧”。

　　“他們一個搞理論，一個做實驗，理論計算不僅能揭示實驗觀測背后的物理機制，還能進行精確的預測，讓實驗測量避免大海撈針，實驗和理論相互促進，能取得很好的效果?！毙ご豪渍f。

　　為了理解動力學過程，張東輝的理論團隊開展了非絕熱量子動力學模擬。論文的共同第一作者黃嘉宇介紹：“非絕熱過程在分子反應中扮演著重要角色，只有開展非絕熱量子動力學模擬，才能精確解釋涉及非絕熱過程的分子反應實驗結果?！?/p>

　　該模擬過程精確重現了實驗所觀測到的現象，并且結合極化微分截面理論方法，詳細分析了反應中存在的立體動力學效應。團隊在考慮干涉和不考慮干涉兩種情況下，發現了其結果有明顯差別，并揭示了量子干涉現象在垂直碰撞構型反應中發揮的重要作用。

　　“之前的化學反應研究可能像抽盲盒，由本來的量子屬性決定，科研人員不能自主控制，我們只有一定概率抽取到想要的結果?！睆垨|輝說，“但現在我們可以通過激發特定化學鍵并控制它的方向，得到想要的結果?！?/p>

　　理論與實驗結果的一致性，驗證了通過氫分子量子態空間取向的操控，可以對化學反應進行精細調控，為將來建立精確的化學反應理論體系、發展主動調控化學反應的方法提供了新的思路。

　　“未來我們會研究更低碰撞能或更高碰撞能的多原子化學反應的立體控制效應、反應共振、量子干涉等現象?！睆堈总妼Α吨袊茖W報》說。

　　相關論文信息：http://doi.org/10.1126/science.ade7471

　　以下是該媒體報道地址：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2023/1/372849.shtm