据中国科学院大连化学物理研究所1月16日官方消息，如何精准控制化学反应是化学研究的核心目标之一。在化工生产过程中，工程师可以通过添加催化剂、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，获得所需的化学反应产物。随着人类对化学反应的认识不断深入到原子分子尺度和量子态水平，如何进一步发展微观层面精确控制化学反应的原理和方法成为许多科学家追求的目标。近日，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“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理论团队张兆军副研究员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，实现化学反应立体动力学的精确控制。相关成果于北京时间1月13日以长文（研究文章）的形式发表在《科学》杂志《科学》上。审稿人对这项工作给予了高度评价，认为这是反应动力学领域的里程碑。
化学反应的本质是原子、分子等微观粒子相互碰撞，导致旧化学键断裂、新化学键形成的过程。立体动力学效应是化学反应中的一个基本而重要的问题，重点研究碰撞过程中反应物分子的空间取向对反应过程的影响。立体动力学效应产生的根本原因是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，氢分子由两个氢原子通过共价键连接而成，就像“哑铃”一样。因此，当另一种反应物与氢分子碰撞时，它会从氢分子的一端进行攻击，或者直接攻击氢分子的共价键。在这两种情况下，反应概率和相应的动力学过程可能表现出明显的差异。如何利用化学反应中的立体动力学效应实现对化学反应过程和结果的精确控制一直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，是非极性双原子分子。当它靠近另一个分子时，改变它的方向并不容易。因此，涉及氢分子的基本化学反应是研究立体动力学效应的理想模型。然而，一直以来很难通过实验制备足够数量的具有特定取向的氢分子，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，杨学明和肖春雷实验团队研发了高能、单纵模纳秒脉冲光参量振荡放大器，实现氢分子的立体动力学控制。研究小组通过在受激拉曼激发过程中操纵激光光子的偏振方向，制备出分子束中处于特定振动激发态的氢分子，同时赋予氢分子的化学键特定的空间取向。
图1：使用激光控制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（左图）；在第一种构型中，HD的键轴分布平行于z轴（左图）；在另一种配置中，HD键轴分布垂直于z轴（右图）。用于受激拉曼激发的泵浦光和斯托克斯激光沿y轴方向传播，绿色和红色双箭头表示它们的偏振方向。此外，实验研究团队利用基于极紫外激光技术的态间分辨率氢原子里德伯态飞行时间谱探测方法，结合交叉分子束技术，仔细测量了0.50 eV、1.20 eV的3次碰撞和2.07 eV。能量方面，两种不同构型的氢氘分子（HD）与氢（H）原子H+HDH2+D反应结果，发现生成的氢分子的量子态和散射角分布存在显着差异（ H2）立体动力学差异。
图2：在0.50 eV的碰撞能量下，两种不同碰撞构型的H+HDH2+H反应的微分反应截面差异非常明显（左栏：通过交叉分子束实验测量；右栏：通过量子测量（从动力学理论模拟获得）。图中不同的环代表不同振动状态下的H2分子产物，环的高度代表相应散射方向上H2分子产物的相对量。为了理解动态过程，张东辉和张兆军的理论团队进行了非绝热量子动力学模拟，准确地再现了实验中观察到的现象，并结合偏振微分截面理论方法进行了详细分析反应中存在的问题。立体动力学效应揭示了量子干涉现象在垂直碰撞构型反应中发挥着重要作用。
“以前对化学反应的研究可能就像一个‘盲盒’，它是由原来的量子特性决定的，研究人员无法随意控制，我们只能以一定的概率提取出想要的结果。”张东辉说：“但现在我们可以激发特定的化学键，并精确控制其方向，直接得到我们想要的结果。”
这项工作通过高精度实验和理论研究，验证了通过操控氢分子量子态的空间取向可以精细控制化学反应，表明人类对化学反应的认识和调控达到了新的水平。
该论文的共同第一作者为中国科学院大连化学物理研究所博士后王玉峰和黄家玉。相关研究工作得到了科技部科技创新2030重大专项、国家自然科学基金委、中科院科研仪器设备研制项目的支持。
研究人员在控制氢分子化学键方向的激光前工作
