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【科技前沿】
光明日?qǐng)?bào)北京1月14日電?記者齊芳從中國科學(xué)院獲悉,化學(xué)反應(yīng)無處不在,人類能不能精確調(diào)控化學(xué)反應(yīng)?我國科學(xué)家在這一研究方向上取得重要進(jìn)展,通過控制分子化學(xué)鍵方向,實(shí)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)的立體動(dòng)力學(xué)精準(zhǔn)調(diào)控,被認(rèn)為是“反應(yīng)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域里程碑式的突破”。
這一成果由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡稱“中科院大連化物所”)楊學(xué)明院士、肖春雷研究員實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合張東輝院士、張兆軍副研究員理論團(tuán)隊(duì)完成,于北京時(shí)間1月13日以長文形式發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
立體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)中一個(gè)基礎(chǔ)而重要的問題,關(guān)注的是碰撞過程中反應(yīng)物分子的空間取向?qū)Ψ磻?yīng)過程有何影響,其根源在于反應(yīng)物分子并非簡單的質(zhì)點(diǎn),而是有著具體的結(jié)構(gòu)和形狀。一直以來,如何利用化學(xué)反應(yīng)中的立體動(dòng)力學(xué)效應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程和結(jié)果的精細(xì)控制,是化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究中的前沿問題之一。
氫分子是最簡單的分子,并且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(xué)反應(yīng)是研究立體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的理想模型。但一直以來,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,因此無法研究相關(guān)反應(yīng)中的立體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。
針對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn),楊學(xué)明、肖春雷實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)研制了高能量、單縱模納秒脈沖光參量振蕩放大器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫分子的立體動(dòng)力學(xué)調(diào)控——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(shí)賦予氫分子的化學(xué)鍵特定的空間取向。
研究人員還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),在不同的碰撞能量下,不同構(gòu)型的氫氘分子(HD)與氫(H)原子反應(yīng)后,產(chǎn)生的氫分子的量子態(tài)和散射角度分布存在顯著的立體動(dòng)力學(xué)差異。
為了理解其中的動(dòng)力學(xué)過程,張東輝、張兆軍理論團(tuán)隊(duì)開展了非絕熱量子動(dòng)力學(xué)模擬,精確重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的現(xiàn)象,并結(jié)合極化微分截面理論方法,詳細(xì)分析了該反應(yīng)中存在的立體動(dòng)力學(xué)效應(yīng),揭示了量子干涉現(xiàn)象在垂直碰撞構(gòu)型反應(yīng)中發(fā)揮了重要的作用。
這項(xiàng)研究表明,人類可以對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控,使我們對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)和調(diào)控達(dá)到了一個(gè)新的高度?!爸暗幕瘜W(xué)反應(yīng)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|輝說,“但現(xiàn)在我們可以通過精確的控制,激發(fā)特定化學(xué)鍵并控制它的方向,直接得到想要的結(jié)果?!?/p>
《光明日?qǐng)?bào)》( 2023年01月15日?04版)
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