在6.9kcal/mol碰撞能下HD + OH H2O + D微分反應(yīng)截面的實(shí)驗(yàn)(A)和理論(B)結(jié)果比較
化學(xué)反應(yīng)微分截面的實(shí)驗(yàn)測(cè)量能夠最細(xì)致地反映一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)特征，而通過求解在勢(shì)能面上運(yùn)動(dòng)的原子核的薛定諤方程來得到基元化學(xué)反應(yīng)的微分截面則是量子動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算的終極目標(biāo)。在過去的幾十年間，經(jīng)過包括中科院大連化學(xué)物理研究所楊學(xué)明、張東輝等研究組在內(nèi)的科學(xué)家們的不懈努力，人們已經(jīng)基本解決了三原子化學(xué)體系的量子動(dòng)力學(xué)難題，能夠定量地計(jì)算三原子體系的微分散射截面。然而，從三原子體系發(fā)展到更多更復(fù)雜的反應(yīng)體系，則是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。作為向前發(fā)展第一步的四原子體系相對(duì)于三原子體系，體系的自由度從3增加到6，這意味著無論是勢(shì)能面的構(gòu)造還是散射動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，從難度到計(jì)算量都有巨大的增加。譬如，對(duì)于勢(shì)能面的計(jì)算，如果每個(gè)維度計(jì)算100個(gè)位點(diǎn)，那么四原子體系的6個(gè)自由度相對(duì)于三原子體系的3個(gè)自由度，所需計(jì)算的位點(diǎn)數(shù)量就增加了一百萬倍！而每個(gè)位點(diǎn)的能量計(jì)算、勢(shì)能面的擬合等的難度和計(jì)算量都因?yàn)樵雍撕碗娮訑?shù)量增加而急劇增大，由此可知量子動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算從3原子體系發(fā)展到4原子體系，困難之大超乎想像。
H2 + OH H2O + H反應(yīng)體系是四原子反應(yīng)體系的基本范例，是燃燒化學(xué)和星際化學(xué)中的重要反應(yīng)，其逆反應(yīng)則是選?；瘜W(xué)的研究樣板。在過去的幾年間，大連化物所楊學(xué)明、張東輝研究組對(duì)該反應(yīng)的同位素替代反應(yīng)HD + OH H2O + D進(jìn)行了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。理論上，他們發(fā)展出一套非常有效的含時(shí)波包方法，能夠?qū)α鶄€(gè)自由度的四原子反應(yīng)進(jìn)行精確的計(jì)算，同時(shí)用更精確的方法構(gòu)造了該反應(yīng)體系的勢(shì)能面，從而完成了該體系的第一個(gè)全維量子態(tài)分辨的動(dòng)力學(xué)計(jì)算。實(shí)驗(yàn)上，他們采用高分辨的交叉分子束—里德堡氘原子飛行時(shí)間譜方法測(cè)量了HD + OH H2O + D在不同反應(yīng)能下的微分截面及其隨碰撞能的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果高度吻合。
這是首次對(duì)一個(gè)四原子反應(yīng)體系的態(tài)-態(tài)微分截面取得理論和實(shí)驗(yàn)高度吻合的研究結(jié)果，是分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)重要突破，也意味著中科院大連化物所在分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域繼續(xù)牢固地占據(jù)著國際領(lǐng)先地位。
該項(xiàng)研究得到了科技部和國家自然科學(xué)基金委的資助，研究成果發(fā)表在2011年7月22日出版的美國《科學(xué)》期刊上（Science 333，440(2011)）。
