來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》第1版 要聞
發(fā)布時(shí)間：2023-01-18
研究人員在控制氫分子化學(xué)鍵取向的激光器前工作。受訪(fǎng)者供圖
■本報(bào)見(jiàn)習(xí)記者 孫丹寧
化學(xué)反應(yīng)無(wú)處不在，在化工生產(chǎn)過(guò)程中，工程師通過(guò)添加催化劑，改變化學(xué)過(guò)程的溫度、壓力等宏觀(guān)參數(shù)，在一定程度上控制化學(xué)反應(yīng)得到所需產(chǎn)物。隨著人們對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)達(dá)到原子分子尺度和量子態(tài)的水平，如何在更精細(xì)水平上對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控，成了化學(xué)科學(xué)研究的新課題。
中科院大連化學(xué)物理研究所楊學(xué)明院士、肖春雷研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合張東輝院士、張兆軍副研究員團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)和理論雙重角度，在H（氫）+HD（氫氘）反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了立體動(dòng)力學(xué)精準(zhǔn)調(diào)控。相關(guān)成果近日發(fā)表于《科學(xué)》，審稿人評(píng)價(jià)該工作是“反應(yīng)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域里程碑式的突破”。
激光的妙用
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(wèn)題，主要關(guān)注碰撞過(guò)程中反應(yīng)物分子的空間取向?qū)Ψ磻?yīng)過(guò)程的影響。如何利用立體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和結(jié)果的精細(xì)控制，是化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究前沿。
氫分子是最簡(jiǎn)單的分子，它就像一個(gè)啞鈴，由兩個(gè)氫原子通過(guò)類(lèi)似“彈簧”的共價(jià)鍵連接而成。在與另一分子相互接近的過(guò)程中，由于氫分子是非極性雙原子分子，不容易發(fā)生取向變化，因此其參與的基元化學(xué)反應(yīng)是研究立體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的理想模型。
“‘彈簧’可以伸長(zhǎng)或縮短，當(dāng)一個(gè)反應(yīng)物與氫分子發(fā)生碰撞時(shí)，‘彈簧’的狀態(tài)就會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)出很大差異?！毙ご豪捉忉屨f(shuō)。
化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是微觀(guān)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(guò)程。在碰撞過(guò)程中，控制分子化學(xué)鍵的方向十分困難。由于人們難以在實(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(wú)法研究相關(guān)反應(yīng)中的立體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。
此時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)將視線(xiàn)投向了激光。激光具有極高的亮度，能發(fā)揮足夠強(qiáng)的作用來(lái)控制方向?！耙肟刂茪浞肿臃较?，對(duì)激光各方面參數(shù)要求很高——非常亮、顏色單一、波長(zhǎng)穩(wěn)定性好、長(zhǎng)時(shí)間鎖定在分子躍遷譜線(xiàn)上?！闭撐牡谝蛔髡咄跤穹钫f(shuō)。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)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(fā)至振動(dòng)激發(fā)態(tài)。由于振動(dòng)激發(fā)態(tài)氫分子化學(xué)鍵的方向與激光電場(chǎng)方向相平行，改變激光的電場(chǎng)方向便可改變分子方向。而激光電場(chǎng)方向又被稱(chēng)為偏振方向，可以簡(jiǎn)單通過(guò)波片這一光學(xué)器件對(duì)其進(jìn)行控制。波片如同船舵一般，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)波片可以改變分子化學(xué)鍵的方向，從而控制氫分子在化學(xué)反應(yīng)中的碰撞方向。
通過(guò)在受激拉曼激發(fā)過(guò)程中操控激光光子的偏振方向，楊學(xué)明、肖春雷實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)可以在分子束中將能量高效注入氫分子的化學(xué)鍵，同時(shí)賦予化學(xué)鍵特定的空間取向，這便成了解決此問(wèn)題的“關(guān)鍵先生”。
氫分子的碰撞
有了控制氫分子化學(xué)鍵方向的技術(shù)之后，化學(xué)反應(yīng)的研究駛?cè)肓丝燔?chē)道。
化學(xué)反應(yīng)都是通過(guò)碰撞發(fā)生的，而“交叉分子束”技術(shù)可以研究化學(xué)反應(yīng)的碰撞過(guò)程，通過(guò)將反應(yīng)物分子制備到特定的速度、量子態(tài)之后，再進(jìn)行相互碰撞，可以獲得其中的反應(yīng)機(jī)理信息。
團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制HD分子化學(xué)鍵的方向，研究了兩種典型的碰撞過(guò)程：平行碰撞與垂直碰撞。碰撞之后，反應(yīng)得以發(fā)生，得到的氫分子與氘原子會(huì)散射到各個(gè)方向，就像臺(tái)球被碰撞后向四處散去，獲得了不同的散射方向。
反應(yīng)物速度不同，產(chǎn)生的碰撞能量也不一樣?！熬拖駜奢v汽車(chē)對(duì)撞過(guò)程中速度不同，因此撞擊能量不同，碰撞產(chǎn)生的破壞力也有很大差別?！蓖跤穹罱忉屨f(shuō)。
團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了3種碰撞能量下的實(shí)驗(yàn)，能量分別為0.5 eV、1.2 eV、2.07 eV，碰撞能量極高。實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，在不同能量下，反應(yīng)物HD以不同的取向發(fā)生碰撞，導(dǎo)致的結(jié)果也明顯不同。
理論與實(shí)驗(yàn)的“雙劍合璧”
研究組內(nèi)成員將張東輝和楊學(xué)明的合作稱(chēng)為“雙劍合璧”。
“他們一個(gè)搞理論，一個(gè)做實(shí)驗(yàn)，理論計(jì)算不僅能揭示實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)背后的物理機(jī)制，還能進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)，讓實(shí)驗(yàn)測(cè)量避免大海撈針，實(shí)驗(yàn)和理論相互促進(jìn)，能取得很好的效果。”肖春雷說(shuō)。
為了理解動(dòng)力學(xué)過(guò)程，張東輝的理論團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了非絕熱量子動(dòng)力學(xué)模擬。論文的共同第一作者黃嘉宇介紹：“非絕熱過(guò)程在分子反應(yīng)中扮演著重要角色，只有開(kāi)展非絕熱量子動(dòng)力學(xué)模擬，才能精確解釋涉及非絕熱過(guò)程的分子反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。”
該模擬過(guò)程精確重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)所觀(guān)測(cè)到的現(xiàn)象，并且結(jié)合極化微分截面理論方法，詳細(xì)分析了反應(yīng)中存在的立體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。團(tuán)隊(duì)在考慮干涉和不考慮干涉兩種情況下，發(fā)現(xiàn)了其結(jié)果有明顯差別，并揭示了量子干涉現(xiàn)象在垂直碰撞構(gòu)型反應(yīng)中發(fā)揮的重要作用。
“之前的化學(xué)反應(yīng)研究可能像抽盲盒，由本來(lái)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(jié)果。”張東輝說(shuō)，“但現(xiàn)在我們可以通過(guò)激發(fā)特定化學(xué)鍵并控制它的方向，得到想要的結(jié)果。”
理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，驗(yàn)證了通過(guò)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，為將來(lái)建立精確的化學(xué)反應(yīng)理論體系、發(fā)展主動(dòng)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的方法提供了新的思路。
“未來(lái)我們會(huì)研究更低碰撞能或更高碰撞能的多原子化學(xué)反應(yīng)的立體控制效應(yīng)、反應(yīng)共振、量子干涉等現(xiàn)象?！睆堈总妼?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。
相關(guān)論文信息：http://doi.org/10.1126/science.ade7471
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