1.四原子反应微分截面的研究
30多年来，随着更为有效的量子反应动力学方法和计算机技术的发展，三原子态—态量子动力学的研究取得了巨大成功。但是，把量子动力学研究从三原子反应体系扩展到四原子反应体系绝对不是一项简单的任务：体系的自由度从三原子体系的3个增加到四原子体系的6个，相应的计算难度与复杂度的增加是巨大的。因此, 近些年来, 四原子体系的精确量子动力学研究一直难以取得很大的进展。
张东辉与杨学明等人经过长期研究，发展完善了一套有效的四原子态—态量子动力学理论与计算方法，使全维态—态量子动力学理论计算成为可能。
他们在复旦大学教授徐昕的帮助下，构造了一个OH3体系更为精确的势能面，并在该势能面上首次得到了HD+OH→H2O+D反应全维量子散射微分截面，与同实验室杨学明研究组的高分辨交叉分子束实验结果取得了高度的吻合。H2+OH反应作为最为简单的一个四原子反应，在燃烧反应中扮演着非常重要的角色。由于包含三个氢原子，它是精确量子动力学研究的一个理想体系，为四原子体系的一个基准性反应。HD+OH反应作为它的一个同位素取代反应，在四原子反应动力学研究中有着重要意义。
张东辉等人计算得到的微分截面是四原子反应体系第一个全维精确的微分截面，并首次与实验在定量水平上得到了吻合，被《科学》的一位审稿人誉为“反应动力学发展的一个里程碑 ”。
2.在量子态水平上观测化学反应共振态
反应共振态是过渡态区域一种特殊的量子化过渡态，它的观测是长期以来物理化学领域的一项重大挑战。
杨学明实验小组利用自行研制的交叉分子束装置对这一反应进行了全量子态分辨的散射实验并观测到了反应共振现象。通过与张东辉等人合作，利用精确势能面的计算以及量子散射理论证明了F+H2反应共振现象是由两个反应共振态所引起的。这项研究解决了国际上长期以来备受关注的F+H2反应的共振这一重大科学问题。
2008年，杨学明、张东辉等人又对F+H2反应的HF(v=3)通道进行研究。他们发现李远哲等人观测到的HF(v=3)的前向散射是由于反应通过出口离心势垒时慢下来所引起的，而不是由于共振态所造成的。这一重要结果发表在PNAS杂志上。同时，杨学明、张东辉等人对F+HD反应的共振态动力学进行了高分辨散射和高精度理论研究，把共振态研究提升到了前所未有的光谱精度，大大加深了我们对反应共振的理解。
3.非绝热化学反应动力学研究
玻恩—奥本海默近似是分子物理、量子化学和量子物理研究中有效而且常用的基础手段。玻恩—奥本海默近似在氟加氘反应中的有效性一直是一个有争议的课题。
杨学明实验小组利用实验室自行研制的高分辨交叉分子束仪器，首次将氟原子激发态与氟原子基态的反应产物完全分开，发现了在低能碰撞时，氟原子的激发态比基态的反应性还要高，证明玻恩—奥本海默近似在氟加氘低能反应中完全失效。这一结果得到了精确理论动力学研究的证实。
2008年杨学明研究小组针对玻恩—奥本海默近似在氯加氢反应中的有效性进行了研究，发现玻恩-奥本海默近似在这一反应中在高碰撞能量时是有效的。这一实验结果解决了科学界一个长期的争议，受到了国际学术界广泛的关注。
激发态氧原子的反应是插入型化学反应的范例，但实验研究这类反应全量子态分辨的动力学是一项极具挑战性的课题。杨学明利用自行研制的仪器，测量了O(1D)与H2反应的全量子态分辨的微分反应截面，首次在全量子态分辨水平上揭示了这类反应的机理。
同时杨学明研究小组还对O(1D)+H2和HD & D2等反应进行了详细的动力学研究，取得了系列性的研究成果，对于理解激发态氧原子反应的机理具有重要意义。
（晓琪整理）
《中国科学报》 (2013-08-20 第8版 平台)
