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2月16日,國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表我國(guó)科研人員在化學(xué)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)新突破。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)利用國(guó)家重大科研儀器設(shè)備大連相干光源發(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(cè)化學(xué)反應(yīng)提供了新的視角。
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一樣,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),但是分子達(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)。
我國(guó)科研團(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(cè)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(shì)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(cè)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)的高速絞線機(jī)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,科研人員對(duì)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(duì)化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的進(jìn)一步理解。