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化学反应研究不再像“抽盲盒”
科学家实现对氢分子的立体动力学精准调控

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研究人员在控制氢分子化学键取向的激光器前工作。受访者供图
■本报见习采访人员孙丹宁
化学反应无处不在，在化工生产过程中，工程师通过添加催化剂，改变化学过程的温度、压力等宏观参数，在一定程度上控制化学反应得到所需产物。随着人们对化学反应的认识达到原子分子尺度和量子态的水平，如何在更精细水平上对化学反应进行调控，成了化学科学研究的新课题。
中科院大连化学物理研究所杨学明院士、肖春雷研究员团队联合张东辉院士、张兆军副研究员团队从实验和理论双重角度，在H（氢）+HD（氢氘）反应中实现了立体动力学精准调控。相关成果近日发表于《科学》，审稿人评价该工作是“反应动力学领域里程碑式的突破” 。
激光的妙用
立体动力学效应是化学反应中一个基础而重要的问题，主要关注碰撞过程中反应物分子的空间取向对反应过程的影响。如何利用立体动力学效应实现对化学反应过程和结果的精细控制，是化学动力学的研究前沿。
氢分子是最简单的分子，它就像一个哑铃，由两个氢原子通过类似“弹簧”的共价键连接而成。在与另一分子相互接近的过程中，由于氢分子是非极性双原子分子，不容易发生取向变化，因此其参与的基元化学反应是研究立体动力学效应的理想模型。
“‘弹簧’可以伸长或缩短，当一个反应物与氢分子发生碰撞时， ‘弹簧’的状态就会导致化学反应表现出很大差异。 ”肖春雷解释说。
化学反应的实质是微观粒子相互碰撞并引发旧化学键断裂、新化学键形成的过程。在碰撞过程中，控制分子化学键的方向十分困难。由于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，因而无法研究相关反应中的立体动力学现象。
此时，研究团队将视线投向了激光。激光具有极高的亮度，能发挥足够强的作用来控制方向。 “要想控制氢分子方向，对激光各方面参数要求很高——非常亮、颜色单一、波长稳定性好、长时间锁定在分子跃迁谱线上。 ”论文第一作者王玉奉说。
针对这一挑战，研究团队自主研制了一种高能量、单纵模纳秒脉冲光参量振荡放大器。激光作用于氢分子后，可以将氢分子激发至振动激发态。由于振动激发态氢分子化学键的方向与激光电场方向相平行，改变激光的电场方向便可改变分子方向。而激光电场方向又被称为偏振方向，可以简单通过波片这一光学器件对其进行控制。波片如同船舵一般，通过转动波片可以改变分子化学键的方向，从而控制氢分子在化学反应中的碰撞方向。
通过在受激拉曼激发过程中操控激光光子的偏振方向，杨学明、肖春雷实验团队可以在分子束中将能量高效注入氢分子的化学键，同时赋予化学键特定的空间取向，这便成了解决此问题的“关键先生” 。
氢分子的碰撞
有了控制氢分子化学键方向的技术之后，化学反应的研究驶入了快车道。
化学反应都是通过碰撞发生的，而“交叉分子束”技术可以研究化学反应的碰撞过程，通过将反应物分子制备到特定的速度、量子态之后，再进行相互碰撞，可以获得其中的反应机理信息。
团队通过控制HD分子化学键的方向，研究了两种典型的碰撞过程：平行碰撞与垂直碰撞。碰撞之后，反应得以发生，得到的氢分子与氘原子会散射到各个方向，就像台球被碰撞后向四处散去，获得了不同的散射方向。