Science 化学变化的实质是什么 _生活经验

文｜《中国科学报》见习采访人员孙丹宁

文章插图
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
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。
反应物速度不同，产生的碰撞能量也不一样。“就像两辆汽车对撞过程中速度不同，因此撞击能量不同，碰撞产生的破坏力也有很大差别。”王玉奉解释说。
团队进行了3种碰撞能量下的实验，能量分别为0.5 eV、1.2 eV、2.07 eV，碰撞能量极高。实验测量表明，在不同能量下，反应物HD以不同的取向发生碰撞，导致的结果也明显不同。
理论与实验的“双剑合璧”
研究组内成员将张东辉和杨学明的合作称为“双剑合璧” 。
“他们一个搞理论，一个做实验，理论计算不仅能揭示实验观测背后的物理机制，还能进行精确的预测，让实验测量避免大海捞针，实验和理论相互促进，能取得很好的效果。”肖春雷说。
为了理解动力学过程，张东辉的理论团队开展了非绝热量子动力学模拟。论文的共同第一作者黄嘉宇介绍：“非绝热过程在分子反应中扮演着重要角色，只有开展非绝热量子动力学模拟，才能精确解释涉及非绝热过程的分子反应实验结果。”
该模拟过程精确重现了实验所观测到的现象，并且结合极化微分截面理论方法，详细分析了反应中存在的立体动力学效应。团队在考虑干涉和不考虑干涉两种情况下，发现了其结果有明显差别，并揭示了量子干涉现象在垂直碰撞构型反应中发挥的重要作用。
“之前的化学反应研究可能像抽盲盒，由本来的量子属性决定，科研人员不能自主控制，我们只有一定概率抽取到想要的结果。”张东辉说，“但现在我们可以通过激发特定化学键并控制它的方向，得到想要的结果。”
【Science 化学变化的实质是什么】
理论与实验结果的一致性，验证了通过氢分子量子态空间取向的操控，可以对化学反应进行精细调控，为将来建立精确的化学反应理论体系、发展主动调控化学反应的方法提供了新的思路。
“未来我们会研究更低碰撞能或更高碰撞能的多原子化学反应的立体控制效应、反应共振、量子干涉等现象。”张兆军对《中国科学报》说。
相关论文信息：
http://doi.org/10.1126/science.ade7471