作者:袁开军等 来源:《科学》 发布时间:2024/2/17 20:49:05
选择字号:
科学家发现首例分子高激发态的漫游反应通道

 

1月18日晚上十点多,中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)研究员傅碧娜收到了一封邮件。她刚打开喜悦之色便溢于言表,这是一封《科学》(Science)杂志的接收函。此时距离她们提交修改后的稿件只过去了不到四个小时。

她连忙联系另一位合作伙伴——袁开军研究员。袁开军本来有些睡眼惺忪,听到消息后一下子就清醒了过来。

从12月投递文章,1月2日返回一审意见,再到1月18日确定接收,这段时间袁开军感觉像是坐上了“火箭”:“我们自己都没想到这么快,简直是意料之外的惊喜。”

而这篇文章背后的研究,袁开军研究员和杨学明院士实验团队联合傅碧娜研究员和张东辉院士理论团队却历时了三年多的时间。他们利用大连相干光源发现了首例分子高激发态的漫游反应通道,表明了漫游反应机理在化学反应中的普适性,为理解和预测化学反应提供了新的视角。该成果于北京时间2月16日发表在《科学》杂志上。

分子高激发态的漫游反应通道示意图。大连化物所供图

在分子宇宙中“漫游”

这并不是袁开军和傅碧娜团队“首战”《科学》。在这之前,他们早就“盯”上了二氧化硫分子。

二氧化硫是重要的大气分子,是火山喷发的主要气体,其光化学与地球早期大气中氧气的来源和演化密切相关,如果能够证明二氧化硫分子极紫外光解离产生大量氧气,那将为地球早期大气中氧气的来源研究提供新思路。

经过实验理论的双向认证,研究团队发现二氧化硫光解可能是地球早期大气产氧的一个重要途径,这扩展了人类对分子光化学影响生命起源的认知。

当他们兴奋地将文章投递至《科学》时,却收到了拒稿信。

“二氧化硫对早期氧气来源的贡献属于大气化学领域,该领域的编辑认为这项发现是很有价值的,但是不能仅仅证明二氧化硫对氧气来源是有贡献的,更应该通过构建模型定量说明二氧化硫光化学占大气中氧气来源的比重,这对我们光化学领域的研究是有些‘超纲’的。”袁开军告诉《中国科学报》。

这样一次看似失败的经历,袁开军和傅碧娜却没有丝毫的挫败感,反而坚信了二氧化硫这一分子的重要性,并开展了更深入地探索。此时,产氧过程的漫游反应机理走入了他们的视线。

化学反应的发生如同‘翻山越岭’。分子和原子需要像“登山者”一样攀登过能量壁垒这座“高山”,才能转换为新的物质。在传统的化学反应过渡态理论中,反应主要沿着最小能量路径进行,就像“登山者”通常要找到最低的山脊线越过高山,以此消耗最少的能量。

“然而在某些化学反应中,分子可能会从山峰外围‘绕远’,从微观的角度看,原子或者基团不会立即从分子中断开,而是在分子附近‘晃荡’,忽远忽近,就像宇航员在太空‘漫游’一样,最终形成与传统化学反应不同的产物,这就是漫游反应。”傅碧娜解释道。

21世纪初,漫游反应被科学家第一次发现。2004年,科学家通过实验和理论首次在甲醛分子光解离中发现漫游反应机理,漫游反应逐渐成为人们所熟知的一类反应。

此后,针对漫游反应机理的解析一直局限于分子的低电子态和基态。由于分子只有吸收极紫外光的高能量光子才可以到达高激发态,而高亮度、可调谐极紫外光源十分缺乏,分子达到高激发态时是否存在漫游反应一直未得到证实。

袁开军研究员和杨学明院士团队从事分子光化学反应研究多年,始终坚信分子在高激发态存在漫游反应,但是由于高亮度极紫外光源的缺乏导致进展缓慢。

关键时刻“利刃出鞘”

大连相干光源的出现成为了破局的“利器”。

大连相干光源是该团队联合上海应用物理研究所研制的我国第一台极紫外自由电子激光用户装置,也是全球唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置,是世界上最亮的极紫外光源。通过大连相干光源输出高亮度、波长可以调谐的极紫外光,可以激发任何分子到特定的高激发态。“可以说,大连相干光源打开了研究分子高激发态反应机理研究的大门。”袁开军告诉《中国科学报》。

“在研制大连相干光源的时候,杨老师就提前部署了几个重点研究方向,比如星际化学、大气环境、能源化学和生物制药等等。大连相干光源不满足于仅仅为用户提供机时,而是主动策划重大科学问题的攻关。大连相干光源每个实验站的负责人都是经验丰富的科学家,除了协助用户开展科学研究,同时组织重点科技任务攻关,这一定程度上也体现了建制化科研的作用。”袁开军介绍道。

团队利用大连相干光源制备出高激发态的二氧化硫分子,随后二氧化硫自主解离产生硫原子和氧气分子碎片。同时,他们结合了自主研制的高分辨离子成像技术,探测了激发态氧气产物的量子态分布。实验发现,二氧化硫分子在133纳米波段附近解离产生的激发态氧气产物,呈现出两种振动量子态分布。

“双向奔赴”让1+1>2

实验得到结果后,傅碧娜研究员和张东辉院士团队在理论方面也没“闲”着。

他们利用自主发展的高精度激发态势能面构建方法和产物量子态分辨的动力学计算,精确重现了实验所观测到的现象,揭示了高激发态的二氧化硫分子可以通过漫游反应产生高振动分布的氧气产物,而传统的最小能量路径只产生低振动分布的氧气产物。

“实验和理论的‘双向奔赴’,证实了高激发态漫游反应通道的存在,表明了漫游反应在化学反应中是普遍存在的。”傅碧娜说。

事实上,这并不是杨学明院士团队和张东辉院士团队的合作“首秀”,在此之前,他们已经合作在《科学》发表过11篇论文,两个团队在大连化物所也有着“天作之合”的美誉。

“天作之合”团队合照。大连化物所供图

2006年初,杨学明和张东辉就在理论和实践方面“双剑合璧”,在分子反应动力学研究中碰撞出了“火花”。他们瞄准的,一直都是化学反应动力学前沿基础研究。

“因为人类的认知范围就像是一个圆圈,每一次基础研究的突破,都扩展了这个圆的边界,都是对人类知识体系的进一步扩充。”杨学明院士强调。

张东辉院士提起合作曾笑称:“我们的合作可以说是‘1+1>2’,这是一个越来越彼此信任的过程。”

无独有偶,此次论文发表过程中,袁开军和傅碧娜印象最深的也是一位审稿人的意见,他评价该文章是实验和理论的完美结合,体现了1+1>2的作用。

多篇顶刊论文的发表,对两个团队来说既是激励也是挑战,在化学反应动力学这一基础研究领域每前进一步,都是一个崭新的开始。

作为两个团队合作的“第二代”,袁开军和傅碧娜也有着对未来的展望:“除了二氧化硫分子,我们将利用大连相干光源开展更多的星际分子极紫外光化学研究,深入理解分子光化学过程在宇宙分子演化和生命起源所起的作用,同时推动科学家发展新的理论模型和计算方法,以此来更精准地描述和预测化学反应。”(来源:中国科学报 孙丹宁)

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.adn3357

 

 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
冰表面长啥样?原子级分辨图像揭晓答案 北方中纬高频雷达网发布首批科学探测结果
“双星计划”:开启中国空间科学新纪元 河西走廊内陆河出山径流研究揭示新趋势
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文