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本報北京1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展，通過控制分子化學(xué)鍵方向，實現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)的立體動力學(xué)精準(zhǔn)調(diào)控，被認(rèn)為是“反應(yīng)動力學(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、肖春雷研究員實驗團隊聯(lián)合張東輝院士、張兆軍副研究員理論團隊完成，于北京時間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。

立體動力學(xué)效應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)中一個基礎(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，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)中的立體動力學(xué)效應(yīng)，實現(xiàn)對化學(xué)反應(yīng)過程和結(jié)果的精細(xì)控制，是化學(xué)動力學(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)是研究立體動力學(xué)效應(yīng)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(yīng)中的立體動力學(xué)現(xiàn)象。

針對這個挑戰(zhàn)，楊學(xué)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(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)，同時賦予氫分子的化學(xué)鍵特定的空間取向。

研究人員還進一步發(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力學(xué)差異。

為了理解其中的動力學(xué)過程，張東輝、張兆軍理論團隊開展了非絕熱量子動力學(xué)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(xì)分析了該反應(yīng)中存在的立體動力學(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。

這項研究表明，人類可以對化學(xué)反應(yīng)進行精細(xì)調(diào)控，使我們對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識和調(diào)控達到了一個新的高度。“之前的化學(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。”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(xué)鍵并控制它的方向，直接得到想要的結(jié)果。”

責(zé)編：楊 旭審核：徐曉敬