1月20日，從中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所傳出消息，該所楊學(xué)明院士、肖春雷研究員實驗團(tuán)隊聯(lián)合張東輝院士、張兆軍副研究員理論團(tuán)隊，在分子反應(yīng)動力學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)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。
業(yè)內(nèi)專家表示，這項研究通過高精度的實驗和理論研究，驗證了通過氫分子量子態(tài)空間取向的操控，可以對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，表明了人類對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識和調(diào)控達(dá)到了一個新高度。
化學(xué)反應(yīng)無處不在。在化工生產(chǎn)過程中，工程師們通過添加催化劑、改變化學(xué)過程的溫度、壓力等宏觀參數(shù)，可以在一定程度上控制化學(xué)反應(yīng)，得到所需的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。隨著人類對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識不斷深入到原子分子尺度和量子態(tài)的層面，如何在微觀水平上進(jìn)一步發(fā)展精確調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的原理和方法，成為許多科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。
化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)是原子、分子等微觀粒子相互碰撞并引發(fā)舊化學(xué)鍵斷裂、新化學(xué)鍵形成的過程。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。例如，氫分子由兩個氫原子通過共價鍵連接形成，就像一個“啞鈴”。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、肖春雷研究團(tuán)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。同時，為了理解其中的動力學(xué)過程，張東輝、張兆軍理論團(tuán)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。
“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地控制，激發(fā)特定化學(xué)鍵并控制它的方向，直接得到自己想要的結(jié)果。”
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