中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)首例分子高激發(fā)態(tài)漫游反應(yīng)通道
太空漫游是人類探索宇宙邁出的關(guān)鍵一步，而在化學(xué)反應(yīng)中，漫游反應(yīng)作為一種特殊類型的反應(yīng)機(jī)理也廣受科學(xué)家的關(guān)注。記者近日從中國科學(xué)院獲悉，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）利用大連相干光源發(fā)現(xiàn)了首例分子高激發(fā)態(tài)的漫游反應(yīng)通道，表明了漫游反應(yīng)機(jī)理在化學(xué)反應(yīng)中的普適性，為理解和預(yù)測化學(xué)反應(yīng)提供了新的視角。成果文章于北京時(shí)間2月16日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志。
化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生如同“翻山越嶺”。分子和原子需要像“登山者”一樣攀登過能量壁壘這座“高山”，才能轉(zhuǎn)換為新的物質(zhì)。在傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)理論中，反應(yīng)主要沿著最小能量路徑進(jìn)行，就像“登山者”通常要找到最低的山脊線越過高山，以此消耗最少的能量。
在某些化學(xué)反應(yīng)中，分子可能會(huì)從山峰外圍“繞遠(yuǎn)”，從微觀的角度看，原子或者基團(tuán)不會(huì)立即從分子中斷開，而是在分子附近“晃蕩”，忽遠(yuǎn)忽近，就像宇航員在太空“漫游”一樣，最終形成與傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)不同的產(chǎn)物，這就是漫游反應(yīng)。
21世紀(jì)初，科學(xué)家第一次發(fā)現(xiàn)漫游反應(yīng)。此后，針對漫游反應(yīng)機(jī)理的解析一直局限于分子的低電子態(tài)和基態(tài)。由于分子只有吸收極紫外光的高能量光子才可以到達(dá)高激發(fā)態(tài)，而高亮度、可調(diào)諧極紫外光源十分缺乏，分子達(dá)到高激發(fā)態(tài)時(shí)是否存在漫游反應(yīng)一直未得到證實(shí)。
大連相干光源的出現(xiàn)使難題迎刃而解。大連相干光源是該團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海應(yīng)用物理研究所研制的我國第一臺(tái)極紫外自由電子激光，也是全球唯一運(yùn)行在極紫外波段的自由電子激光用戶裝置。通過大連相干光源輸出高亮度、波長可以調(diào)諧的極紫外光，可以激發(fā)任何分子到特定的高激發(fā)態(tài)。
該研究成果由袁開軍研究員和楊學(xué)明院士實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合傅碧娜研究員和張東輝院士理論團(tuán)隊(duì)共同完成。袁開軍研究員和楊學(xué)明院士團(tuán)隊(duì)從事分子光化學(xué)反應(yīng)研究多年，始終堅(jiān)信分子在高激發(fā)態(tài)存在漫游反應(yīng)，“在研制大連相干光源的時(shí)候我們團(tuán)隊(duì)就提前自主布局了幾個(gè)研究方向，星際分子光化學(xué)就是其中之一。”袁開軍表示，“可以說，大連相干光源打開了研究分子高激發(fā)態(tài)反應(yīng)機(jī)理研究的大門。”
團(tuán)隊(duì)利用大連相干光源制備了高激發(fā)態(tài)的二氧化硫分子，并結(jié)合自主研制的高分辨離子成像技術(shù)探測了激發(fā)態(tài)氧氣產(chǎn)物的量子態(tài)分布。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，二氧化硫分子在133納米波段附近解離產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)氧氣產(chǎn)物呈現(xiàn)兩種振動(dòng)量子態(tài)分布。
隨后，傅碧娜研究員和張東輝院士團(tuán)隊(duì)利用自主發(fā)展的高精度激發(fā)態(tài)勢能面構(gòu)建方法和產(chǎn)物量子態(tài)分辨的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，精確重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)所觀測到的現(xiàn)象，揭示了高激發(fā)態(tài)的二氧化硫分子可以通過漫游反應(yīng)產(chǎn)生高振動(dòng)態(tài)分布的氧氣產(chǎn)物，而傳統(tǒng)的最小能量路徑只產(chǎn)生低振動(dòng)態(tài)分布的氧氣產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果的一致，證實(shí)了高激發(fā)態(tài)漫游反應(yīng)通道的存在，表明了漫游反應(yīng)在化學(xué)反應(yīng)中普遍存在。
“通過這項(xiàng)研究，我們對以往化學(xué)反應(yīng)的理論產(chǎn)生了新的認(rèn)知，很多傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)理論無法解釋的現(xiàn)象都有可能用漫游反應(yīng)機(jī)理得到解釋，這將提升人們對化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的進(jìn)一步理解。”楊學(xué)明院士說，“每一次基礎(chǔ)研究的突破，都擴(kuò)展了人類認(rèn)知的邊界，擴(kuò)充了人類的知識(shí)儲(chǔ)備。”
據(jù)了解，下一步科研團(tuán)隊(duì)將利用大連相干光源開展更多分子的極紫外光化學(xué)研究，深入理解分子光化學(xué)過程在宇宙分子演化和生命起源所起的作用，同時(shí)推動(dòng)科學(xué)家發(fā)展新的理論模型和計(jì)算方法，以此來更精準(zhǔn)地描述和預(yù)測化學(xué)反應(yīng)。
