实现化学反应的立体动力学精准调控

  【科技前沿】

  本报北京1月14日电 记者齐芳从中国科学院获悉，化学反应无处不在，人类能不能精确调控化学反应？我国科学家在这一研究方向上取得重要进展，通过控制分子化学键方向，实现了化学反应的立体动力学精准调控，被认为是“反应动力学领域里程碑式的突破”。

  这一成果由中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“中科院大连化物所”）杨学明院士、肖春雷研究员实验团队联合张东辉院士、张兆军副研究员理论团队完成，于北京时间1月13日以长文形式发表在国际学术期刊《科学》上。

  立体动力学效应是化学反应中一个基础而重要的问题，关注的是碰撞过程中反应物分子的空间取向对反应过程有何影响，其根源在于反应物分子并非简单的质点，而是有着具体的结构和形状。一直以来，如何利用化学反应中的立体动力学效应，实现对化学反应过程和结果的精细控制，是化学动力学研究中的前沿问题之一。

  氢分子是最简单的分子，并且是非极性双原子分子，在与另一分子相互接近的过程中，不容易发生取向变化。因此，氢分子参与的基元化学反应是研究立体动力学效应的理想模型。但一直以来，人们难以在实验上制备足够数量的具有特定取向的氢分子，因此无法研究相关反应中的立体动力学现象。

  针对这个挑战，杨学明、肖春雷实验团队研制了高能量、单纵模纳秒脉冲光参量振荡放大器，实现了对氢分子的立体动力学调控——通过在受激拉曼激发过程中操控激光光子的偏振方向，在分子束中将氢分子制备于特定的振转激发态，同时赋予氢分子的化学键特定的空间取向。

  研究人员还进一步发现，在不同的碰撞能量下，不同构型的氢氘分子（HD）与氢（H）原子反应后，产生的氢分子的量子态和散射角度分布存在显著的立体动力学差异。

  为了理解其中的动力学过程，张东辉、张兆军理论团队开展了非绝热量子动力学模拟，精确重现了实验所观测到的现象，并结合极化微分截面理论方法，详细分析了该反应中存在的立体动力学效应，揭示了量子干涉现象在垂直碰撞构型反应中发挥了重要的作用。

  这项研究表明，人类可以对化学反应进行精细调控，使我们对化学反应的认识和调控达到了一个新的高度。“之前的化学反应研究可能像‘抽盲盒’，它是由本来的量子属性决定好的，科研人员不能随便控制，我们只能有一定的概率抽取到想要的结果。”张东辉说，“但现在我们可以通过精确的控制，激发特定化学键并控制它的方向，直接得到想要的结果。”