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【科技前沿】

光明日報北京1月14日電?記者齊芳從中國科學院獲悉，化學反應無處不在，人類能不能精確調(diào)控化學反應？我國科學家在這一研究方向上取得重要進展，通過控制分子化學鍵方向，實現(xiàn)了化學反應的立體動力學精準調(diào)控，被認為是“反應動力學領(lǐng)域里程碑式的突破”。

這一成果由中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“中科院大連化物所”）楊學明院士、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)表在國際學術(shù)期刊《科學》上。

立體動力學效應是化學反應中一個基礎(chǔ)而重要的問題，關(guān)注的是碰撞過程中反應物分子的空間取向?qū)Ψ磻^程有何影響，其根源在于反應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，如何利用化學反應中的立體動力學效應，實現(xiàn)對化學反應過程和結(jié)果的精細控制，是化學動力學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反應是研究立體動力學效應的理想模型。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)反應中的立體動力學現(xiàn)象。

針對這個挑戰(zhàn)，楊學明、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差異。

為了理解其中的動力學過程，張東輝、張兆軍理論團隊開展了非絕熱量子動力學模擬，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，詳細分析了該反應中存在的立體動力學效應，揭示了量子干涉現(xiàn)象在垂直碰撞構(gòu)型反應中發(fā)揮了重要的作用。

這項研究表明，人類可以對化學反應進行精細調(diào)控，使我們對化學反應的認識和調(diào)控達到了一個新的高度?！爸暗幕瘜W反應研究可能像‘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)特定化學鍵并控制它的方向，直接得到想要的結(jié)果?！?/p>

《光明日報》（ 2023年01月15日?04版）

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