杨学明院士联合发展控制氢分子立体取向新方法，精准调控化学反应

中国科学院大连化学物理研究所杨学明院士、肖春雷研究员实验团队与张东辉院士、张兆军研究员理论团队合作，实现了对化学反应立体动力学的精准调控。

一方面，实验研究团队发展了一种新方法，能够将让氢分子具有特定的量子态，同时将它的化学键调整到特定的方向。

实现了让氢原子和氢氘分子反应以受控的取向发生碰撞，从而能够精确地调控化学反应的过程和结果。

结合这一主动调控化学反应的手段，为未来更好地理解化学反应创造了新的机会。

图丨肖春雷研究员在实验室（来源：肖春雷）

另一方面，理论研究团队利用量子动力学计算，不仅精确复现了实验观测，更从量子力学的角度，阐明了反应的微观过程和机理。

实验与理论结合，让该研究在实验和理论方面都达到了很高的水平，审稿人评价该研究是“反应动力学研究中的一个里程碑”。

揭开“黑匣子”：精确研究化学反应面临的挑战

在最简单的化学反应 H+H2→H2+H 中，涉及 3 个氢原子的反应。即使是这样一个反应，要精确地研究它，所面临的挑战也超出很多人的意料。

一方面，理解化学反应的关键在于，理解反应物旧的化学键如何断裂、产物新的化学键如何生成。

在时间尺度上，这个过程极快地发生，相应的时间尺度大概为飞秒或皮秒量级。

在空间尺度上，化学反应在原子水平上发生，如何直接测量以单个原子或分子形式存在的反应物、产物的状态和行为，也是极大的挑战。

另一方面，以单个原子或分子形式存在的反应物和产物，也都具有特定的内部结构和相应的运动状态，而不能当成一个简单的质点。

例如，氢分子是两个氢原子通过化学键结合而成，它的形状类似于哑铃。化学键则类似于弹簧，会发生伸缩，对应是氢分子不同的振动状态。此外，氢分子这个“哑铃”还会有不同的转动状态。

在氢分子和其他原子分子碰撞的过程中，不同的振动、转动状态的氢分子，具有不同的能量和运动形式。这些因素将对化学反应的过程，产生不可忽视的影响。

此外，在氢分子和其他原子分子碰撞的过程中，也要考虑它的“形状”和“结构”。

例如，另一个反应物从“哑铃”的中间进攻，或者从“哑铃”的某一侧进攻，碰撞的过程和结果很可能是完全不同的。

立体动力学效应的重点在于，反应物分子的空间取向对反应产生的作用。

长期以来，怎样通过分子的形状和空间取向，让化学反应的过程和结果都能够被精细控制，是化学动力学研究中的前沿问题之一。

用激光操控微观分子，实现反应物量子态和取向的精准控制

从 2010 年开始，该课题组开始尝试通过控制氢分子的初始振动状态，对其参与的化学反应进行调控。

2013 年，他们将氢分子（H2）的同位素分子（HD）振动激发到量子态（v=1，j=0）。其中，v 是 HD 分子的振动量子数，j 则代表了转动量子数。

该课题组发现，在 F+HD→HF+D 反应中，当 HD 分子振动起来后，反应会通过新的路径发生。有趣的是，如果以碰撞能量的形式给反应体系提供同样多的能量，反应也无法通过该路径发生。

而在 Cl+HD→HF+D 反应中，当 HD 分子振动起来后，反应会通过具有超短寿命的共振态发生，而这个共振态产生于化学键软化机理。

上文提及的两个重要研究，对应的相关论文分别于 2013 年和 2015 年发表在 Science[2,3]，也为本次研究中的立体动力学研究奠定了坚实的理论和实验基础。

但是，过去的研究中仍存在未被解决的科学问题。具体来说，彼时的实验中，HD 分子的空间方向是随机的。也就是说，HD 分子的化学键方向的分布，统计地看是处于一个各向同性的分布。

因此，当时无法研究分子的形状和碰撞的方向，在化学反应中扮演何种角色。

（来源：中国科学院大连化学物理研究所）

为了在实验上给予分子特定的空间取向，就需要让它转动起来。因此，在新的实验中，HD 分子不再是制备到量子态（v=1，j=0），而是（v=1，j=2）。转动量子数 j=2 表明，HD 分子是处于转动激发的状态。

肖春雷解释说道：“这就好比我们在太空中放置了一个陀螺，它的方向可能是随机的。

但陀螺一旦转起来，有了角动量以后，在没有外力的作用下，由于动量守恒的作用，它的转轴方向不会发生变化。因此，陀螺不再是各向同性分布，统计地看，陀螺也就有了特定的取向。”

基于该原理，研究人员在实验上通过激光制备了具有不同空间取向的分子，并通过高分辨的交叉分子束实验，研究了 H+HD→H2+D 在碰撞能量分别在 0.50、1.20 和 2.07 电子伏特条件下的反应。

根据相关结果，他们发现，HD 取向的差别将会导致反应结果表现出显著的差别。

（来源：中国科学院大连化学物理研究所）

随后，该课题组从理论上利用量子动力学模拟，完全复现出实验中的现象。并且，还利用极化微分截面理论方法，清晰地揭示了反应中的立体动力学效应，以及量子干涉现象在垂直碰撞构型反应中的关键作用。

“虽然之前领域内也有其他控制分子取向的相关实验，但是控制的水平没有达到如此精细。”肖春雷表示。

此外，他指出，该研究通过高分辨的实验以及高精度的量子动力学理论的“双管齐下”，揭示了立体取向在 H+HD 这个经典反应体系中所扮演的角色，为理解化学反应中的立体动力学效应提供了一个很好的范例。

最终，相关论文以《通过反应物取向实现 H+HD→H2+D 反应的立体动力学调控》（Stereodynamical control of the H + HD→H2+D reaction through HD reagent alignment）为题，发表在 Science 上[1]。

中国科学院大连化学物理研究所博士研究生王玉奉和黄嘉宇为共同第一作者，中国科学院院士杨学明、中国科学院院士张东辉、张兆军研究员和肖春雷研究员担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Science）

“只有制备出别人没有的仪器，才能看到他们看不到的现象”

虽然量子力学的框架已经搭建起来，在很多情况下，也能够基于量子力学对物理过程进行精确模拟。但需要了解的是，在化学领域中，目前还很难完全基于量子力学，来实现精确模拟和预测。

对于化学反应等复杂的体系，它们的薛定谔方程没有精确的解析解，只能通过数值方法，来近似地求解。要获得精准的结果，挑战非常大。

正是因为这样，很多有机化学和无机化学中的反应，目前依然基于研究人员的经验和规则，来进行相关理解和预测。

反应动力学研究的目标，正是通过结合理论和实验把化学发展成为一门精确的、可预测的学科。

图丨中国科学院大连化学物理研究所的实验室（来源：肖春雷）

在本次研究中，研究人员从量子力学的原理出发，不仅能够精确地计算出反应路径、产物的角度和量子态等详细信息，还清晰地揭示了化学反应的机理，以及分子取向在反应过程起到何种作用的物理图像。

具体到应用领域，以药物设计为例，通常发展新药的过程需要经历漫长的时间，也需要研究人员投入大量的时间和精力。

如果通过理论和实验的相互促进，发展出精确的理论，能够精准地模拟、预测各种药物分子和蛋白质分子的互相作用，将极大程度地降低药物研发成本和提升药物的设计效率，这也是反应动力学领域的终极目标之一。

图丨中国科学院大连化学物理研究所的实验室（来源：肖春雷）

肖春雷本科毕业于中国科学技术大学物理系，在中国科学院大连化学物理研究所获得博士学位。大学三年级一次偶然的机会，他来到杨学明院士课题组参观学习，当看到如此精密的设备，让他瞬间“眼前一亮”。

从此，肖春雷开始将研究重点放在利用交叉分子束方法和先进的激光技术，他在基元反应动力学的方向开展一系列实验研究，还在博士毕业时，获得了中国科学院院长特别奖。

此次研究中，实验上之所以能够实现重要突破，离不开他们自行研制搭建的高能量、窄线宽、高稳定性的光参量振荡器，它是实现氢分子高效振动激发的关键。

肖春雷表示：“杨老师多次教导我们‘只有制备出别人没有的仪器，才能看到他们看不到的现象’，我们这次的研究也再次印证了这句话。”

参考资料：

1.Wang,Y.et al.Stereodynamical control of the H + HD→H2+D reaction through HD reagent alignment. Science 379,6628,191-195(2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade7471

2.Wang,T.et al.Dynamical Resonances Accessible Only by Reagent Vibrational Excitation in the F+ HD→HF+D Reaction, Science 342, 1499 (2013). https://www.science.org/doi/10.1126/science.1246546

3.Yang,T. et al.Extremely short-lived reaction resonances in Cl+HD(v = 1)→DCl+H due to chemical bond softening, Science 60,347(2015).https://www.science.org/doi/10.1126/science.1260527

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