【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，大連化學(xué)物理研究所化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)全國重點實驗室楊學(xué)明院士與潘慧琳博士實驗團(tuán)隊、張東輝院士和劉舒研究員理論團(tuán)隊，聯(lián)合中國臺灣中央研究院原子與分子科學(xué)研究所劉國平院士，開發(fā)出一種具備量子態(tài)分辨能力的反應(yīng)散射產(chǎn)物探測新方法。該方法利用單個圖像即可揭示F+CH4反應(yīng)的完整動力學(xué)信息。
結(jié)合電子電離或光電離質(zhì)譜與產(chǎn)物飛行時間譜的技術(shù)，在加深對化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的基本認(rèn)識方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而，面對包含多個產(chǎn)物通道或多原子產(chǎn)物的復(fù)雜反應(yīng)，該方法通常難以獲取產(chǎn)物的量子態(tài)分辨信息。此前，劉國平團(tuán)隊將共振增強(qiáng)多光子電離(REMPI)光譜與高分辨離子速度成像技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了對F + CD4等反應(yīng)產(chǎn)物對(v2(CD3)，vDF)的測量。然而，REMPI方法對不同量子態(tài)產(chǎn)物的探測靈敏度存在差異，導(dǎo)致不同量子態(tài)產(chǎn)物之間難以直接比較。
在本工作中，研究團(tuán)隊通過結(jié)合三維速度成像與真空紫外光電離技術(shù)，發(fā)展了一種具備量子態(tài)分辨能力的通用探測方法。團(tuán)隊以反應(yīng)F + CH4 → CH3(v?) + HF(v)為例，利用該方法僅憑單個產(chǎn)物圖像，即可解析產(chǎn)物對(vi，v)各量子態(tài)的布居及其散射角度分布，從而揭示了完整的反應(yīng)動力學(xué)圖像。
研究團(tuán)隊還基于精確的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢能面，采用自由扭轉(zhuǎn)模型對F + CH4反應(yīng)進(jìn)行了態(tài)?態(tài)量子動力學(xué)計算，獲得了這個包含動力學(xué)共振六原子反應(yīng)的六維微分散射截面。實驗和理論結(jié)果在幾乎所有方面都表現(xiàn)出顯著的一致性，驗證了實驗方法和理論模型的可靠性。
此外，實驗和理論結(jié)果均顯示出了高度的模式選擇性，大部分反應(yīng)通量集中在CH3傘形振動模式，這一發(fā)現(xiàn)更新了以往對該反應(yīng)產(chǎn)物分布的認(rèn)知。團(tuán)隊進(jìn)一步的研究揭示了反應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制，提出了一種角動量-散射角度關(guān)聯(lián)框架，解釋了F、Cl、H等不同原子與甲烷反應(yīng)的散射行為差異。
由于絕大多數(shù)分子可在真空紫外波段實現(xiàn)單光子電離，本工作所提出的新探測方法具有通用性，有望為探索其他傳統(tǒng)方法難以研究的重要復(fù)雜化學(xué)過程提供新途徑。
相關(guān)研究成果以“State-correlated reaction dynamics unveiled in full from a single product-image measurement”為題，于近日發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部科技創(chuàng)新2030-重大項目、廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊專項，中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項“基于極紫外光源的化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)精準(zhǔn)探測”和“面向化學(xué)研究新范式的精準(zhǔn)智能化學(xué)”等項目的支持。(文/圖 劉舒、潘慧琳)
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