四原子化学反应体系研究获突破

化学反应微分截面的实验测量能够最细致地反映一个化学反应的本质特征，而通过求解在势能面上运动的原子核的薛定谔方程来得到基元化学反应的微分截面则是量子动力学理论计算的终极目标。在过去的几十年间，经过包括中科院大连化学物理研究所杨学明、张东辉等研究组在内的科学家们的不懈努力，人们已经基本解决了三原子化学体系的量子动力学难题，能够定量地计算三原子体系的微分散射截面。然而，从三原子体系发展到更多更复杂的反应体系，则是一个巨大的挑战。作为向前发展第一步的四原子体系相对于三原子体系，体系的自由度从3增加到6，这意味着无论是势能面的构造还是散射动力学的计算，从难度到计算量都有巨大的增加。譬如，对于势能面的计算，如果每个维度计算100个位点，那么四原子体系的6个自由度相对于三原子体系的3个自由度，所需计算的位点数量就增加了一百万倍！而每个位点的能量计算、势能面的拟合等的难度和计算量都因为原子核和电子数量增加而急剧增大，由此可知量子动力学理论计算从3原子体系发展到4原子体系，困难之大超乎想像。 H2 + OH → H2O + H反应体系是四原子反应体系的基本范例，是燃烧化学和星际化学中的重要反应，其逆反应则是选模化学的研究样板。在过去的几年间，大连化物所杨学明、张东辉研究组对该反应的同位素替代反应HD + OH → H2O + D进行了反应动力学研究。理论上，他们发展出一套非常有效的含时波包方法，能够对六个自由度的四原子反应进行精确的计算，同时用更精确的方法构造了该反应体系的势能面，从而完成了该体系的第一个全维量子态分辨的动力学计算。实验上，他们采用高分辨的交叉分子束—里德堡氘原子飞行时间谱方法测量了HD + OH → H2O + D在不同反应能下的微分截面及其随碰撞能的变化关系。实验结果和理论计算结果高度吻合。这是首次对一个四原子反应体系的态-态微分截面取得理论和实验高度吻合的研究结果，是分子反应动力学研究的一个重要突破，也意味着大连化物所在分子反应动力学领域继续牢固占据着国际领先地位。该项研究得到了科技部和国家自然科学基金委的资助，研究成果发表在7月22日出版的美国《科学》杂志上（Science 333，440(2011)）。（来源：中科院大连化学物理研究）