如何精确控制化学反应是化学科学研究的核心目标之一

据中科院大连化学研究所官方消息，如何精确控制化学反应是化学科学研究的核心目标之一在化学生产过程中，工程师可以通过添加催化剂，改变化学过程中的温度，压力等宏观参数，在一定程度上控制化学反应，得到所需的化学反应产物伴随着人类对化学反应的认识深入到原子分子尺度和量子态水平，如何进一步发展在微观水平上精确调控化学反应的原理和方法，成为许多科学家追求的目标

最近几天，中科院大连化物所杨院士和肖春雷研究员的实验团队，与院士和副研究员的理论团队一起，在该研究方向取得了重要进展通过控制分子化学键的方向，精确调控了化学反应的三维动力学相关成果于北京时间1月13日以研究文章的形式发表在《科学》杂志上审稿人高度评价了这项工作，认为这是反应动力学领域的一个里程碑

化学反应的本质是原子，分子和其他微观粒子相互碰撞，使旧的化学键断裂，形成新的化学键的过程立体动力学效应是化学反应中一个基本而重要的问题，主要研究碰撞过程中反应物分子的空间取向如何影响反应过程立体动力学效应的根源在于反应物分子不是简单的粒子，而是具有特定的结构和形状例如，一个氢分子是由两个氢原子之间的共价键形成的，就像一个哑铃因此，当另一种反应物与氢分子碰撞时，它从氢分子的一端进攻，或者直接进攻氢分子的共价键这两种情况的反应概率和相应的动力学过程可能表现出明显的差异长期以来，如何利用化学反应中的立体动力学效应实现化学反应过程和结果的精细控制，是化学动力学研究的前沿问题之一

氢分子是最简单的分子，它是非极性的双原子分子，所以当它接近另一个分子时不容易改变取向因此，涉及氢分子的基元化学反应是研究立体动力学效应的理想模型可是，人们一直很难在实验中制备足够多的特定取向的氢分子，因此无法研究相关反应中的立体动力学现象

针对这一挑战，杨和肖春雷的实验团队研制了高能单纵模纳秒脉冲光参量振荡放大器，实现了氢分子的立体动态调控通过操纵受激拉曼激发时激光光子的偏振方向，团队在分子束中制备了特定振动激发态的氢分子，同时赋予了氢分子化学键特定的空间取向

图1:用激光控制HD分子化学键的方向，使其以两种构型与H原子碰撞z轴是HD分子和H原子的相对运动方向利用激光，研究团队可以制备两种不同碰撞构型的HD分子:在第一种构型中，HD的键轴分布平行于Z轴，在另一种配置中，HD的键轴分布垂直于Z轴用于受激拉曼激发的泵浦光和斯托克斯光激光沿Y轴传播，绿色和红色双箭头表示它们的偏振方向

并且，实验研究团队仔细测量了氢氘分子与氢原子在0.50 eV，1.20 eV，2.07 eV三种碰撞能量下两种不同构型的H+HD H2+D反应结果，利用基于极紫外激光技术的里德堡态飞行时间光谱探测方法，发现了量子态和生成的氢分子。

图2:在0.50 eV的碰撞能量下，两种不同碰撞构型的H+HD H2+H反应的微分反应截面差别很大图中，不同的环代表不同振动状态的H2分子产物，环的高度代表相应散射方向上H2分子产物的相对数量

为了理解动力学过程，张东晖和张昭军的理论团队进行了非绝热量子动力学模拟，精确再现了实验中观察到的现象结合偏振微分截面理论，详细分析了反应中的立体动力学效应，揭示了量子干涉在垂直碰撞组态反应中的重要作用

以前的化学反应研究可能就像一个‘盲盒’，是由原始的量子性质决定的研究者不能随便控制，我们只能以一定的概率提取出想要的结果张东晖说，但现在我们可以通过精确控制来激发特定的化学键并控制其方向，直接得到我们想要的结果

这项工作通过高精度的实验和理论研究，证明了通过操纵氢分子量子态的空间取向可以精细调控化学反应，表明人类对化学反应的认识和调控达到了一个新的高度。

本文的第一合著者是中国科学院大连化学研究所博士后王玉峰和黄家钰相关研究工作得到了科技部科技创新2030重大专项，国家自然科学基金和中国科学院研究仪器设备发展项目的支持

研究人员在控制氢分子化学键方向的激光器前工作。