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用激光控制HD分子化學鍵的方向，使其以兩種構型與H原子發生碰撞。 中科院大連化物所 供圖
中新網北京1月13日電 (記者孫自法)面對無處不在的化學反應，如何精確調控是化學科學研究的核心目標之一。隨著人類對化學反應的認識不斷深入到原子分子尺度和量子態層面，如何在微觀水平上進一步發展精確調控化學反應的原理和方法，也成為科學家們孜孜以求的目標。
來自中國科學院大連化學物理研究所(中科院大連化物所)的最新消息說，該所楊學明院士、肖春雷研究員實驗團隊聯合張東輝院士、張兆軍副研究員理論團隊，強強聯合取得一項重要進展，他們通過控制分子化學鍵方向，實現化學反應的立體動力學精準調控。
這項重要化學研究成果論文，北京時間1月13日上午以長文(research article)形式在國際著名學術期刊《科學》(Science)發表，審稿人高度評價認為，該研究成果是反應動力學領域里程碑式的突破。
中科院大連化物所研究人員在控制氫分子化學鍵取向的激光器前工作。 中科院大連化物所 供圖
中科院大連化物所聯合團隊介紹說，化學反應的實質是原子、分子等微觀粒子相互碰撞并引發舊化學鍵斷裂、新化學鍵形成的過程。立體動力學效應是化學反應中一個基礎而重要的問題，關注的是碰撞過程中反應物分子的空間取向對反應過程有何影響。立體動力學效應的根源在于反應物分子并非簡單的質點，而是有著具體的結構和形狀。
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”。因此，當另一個反應物與氫分子發生碰撞時，它從氫分子的一端發起攻擊，或者直接攻擊氫分子的共價鍵，這兩種情況的反應幾率和相應的動力學過程可能會表現出明顯的差別。一直以來，如何利用化學反應中的立體動力學效應，實現對化學反應過程和結果的精細控制，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，并且其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。不過，此前人們難以在實驗上制備足夠數量的具有特定取向的氫分子，因而無法研究相關反應中的立體動力學現象。
針對這一挑戰，楊學明、肖春雷實驗團隊研制出高能量、單縱模納秒脈沖光參量振蕩放大器，實現對氫分子的立體動力學調控。該團隊通過在受激拉曼激發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激發態，同時賦予氫分子的化學鍵特定的空間取向。
在0.50eV碰撞能下，兩種不同的碰撞構型的H+HD→H2+H反應的微分反應截面差異非常明顯。 中科院大連化物所供圖
該實驗團隊又進一步利用基于極紫外激光技術的態-態分辨氫原子里德堡態飛行時間譜探測方法，結合交叉分子束技術，仔細測量在0.50、1.20、2.07電子伏的三個碰撞能量下，兩種不同構型的氫氘分子(HD)與氫(H)原子的H+HD→H2+D反應結果，發現產生的氫分子(H2)的量子態和散射角度分布存在顯著的立體動力學差異。
為理解其中的動力學過程，張東輝、張兆軍理論團隊開展非絕熱量子動力學模擬，精確重現實驗團隊所觀測到的現象，并結合極化微分截面理論方法，詳細分析該反應中存在的立體動力學效應，揭示出量子干涉現象在垂直碰撞構型反應中發揮重要作用。
“之前的化學反應研究可能像‘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果。”張東輝形象解釋說，“但現在我們可以通過精確的控制，激發特定化學鍵并控制它的方向，直接得到自己想要的結果。”
中科院大連化物所表示，該所聯合團隊通過高精度的實驗和理論研究，成功驗證通過氫分子量子態空間取向的操控，可以對化學反應進行精細調控，這表明人類對化學反應的認識和調控達到一個新的高度。(完)