• 論文
主辦單位:煤炭科學研究總院有限公司、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

科學家發現首例分子高激發態的漫游反應通道

2024-02-17

 

1月18日晚上十點多,中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱大連化物所)研究員傅碧娜收到了一封郵件。她剛打開喜悅之色便溢于言表,這是一封《科學》(Science)雜志的接收函。此時距離她們提交修改后的稿件只過去了不到四個小時。

她連忙聯系另一位合作伙伴——袁開軍研究員。袁開軍本來有些睡眼惺忪,聽到消息后一下子就清醒了過來。

從12月投遞文章,1月2日返回一審意見,再到1月18日確定接收,這段時間袁開軍感覺像是坐上了“火箭”:“我們自己都沒想到這么快,簡直是意料之外的驚喜。”

而這篇文章背后的研究,袁開軍研究員和楊學明院士實驗團隊聯合傅碧娜研究員和張東輝院士理論團隊卻歷時了三年多的時間。他們利用大連相干光源發現了首例分子高激發態的漫游反應通道,表明了漫游反應機理在化學反應中的普適性,為理解和預測化學反應提供了新的視角。該成果于北京時間2月16日發表在《科學》雜志上。

分子高激發態的漫游反應通道示意圖。大連化物所供圖

在分子宇宙中“漫游”

這并不是袁開軍和傅碧娜團隊“首戰”《科學》。在這之前,他們早就“盯”上了二氧化硫分子。

二氧化硫是重要的大氣分子,是火山噴發的主要氣體,其光化學與地球早期大氣中氧氣的來源和演化密切相關,如果能夠證明二氧化硫分子極紫外光解離產生大量氧氣,那將為地球早期大氣中氧氣的來源研究提供新思路。

經過實驗理論的雙向認證,研究團隊發現二氧化硫光解可能是地球早期大氣產氧的一個重要途徑,這擴展了人類對分子光化學影響生命起源的認知。

當他們興奮地將文章投遞至《科學》時,卻收到了拒稿信。

“二氧化硫對早期氧氣來源的貢獻屬于大氣化學領域,該領域的編輯認為這項發現是很有價值的,但是不能僅僅證明二氧化硫對氧氣來源是有貢獻的,更應該通過構建模型定量說明二氧化硫光化學占大氣中氧氣來源的比重,這對我們光化學領域的研究是有些‘超綱’的。”袁開軍告訴《中國科學報》。

這樣一次看似失敗的經歷,袁開軍和傅碧娜卻沒有絲毫的挫敗感,反而堅信了二氧化硫這一分子的重要性,并開展了更深入地探索。此時,產氧過程的漫游反應機理走入了他們的視線。

化學反應的發生如同‘翻山越嶺’。分子和原子需要像“登山者”一樣攀登過能量壁壘這座“高山”,才能轉換為新的物質。在傳統的化學反應過渡態理論中,反應主要沿著最小能量路徑進行,就像“登山者”通常要找到最低的山脊線越過高山,以此消耗最少的能量。

“然而在某些化學反應中,分子可能會從山峰外圍‘繞遠’,從微觀的角度看,原子或者基團不會立即從分子中斷開,而是在分子附近‘晃蕩’,忽遠忽近,就像宇航員在太空‘漫游’一樣,最終形成與傳統化學反應不同的產物,這就是漫游反應。”傅碧娜解釋道。

21世紀初,漫游反應被科學家第一次發現。2004年,科學家通過實驗和理論首次在甲醛分子光解離中發現漫游反應機理,漫游反應逐漸成為人們所熟知的一類反應。

此后,針對漫游反應機理的解析一直局限于分子的低電子態和基態。由于分子只有吸收極紫外光的高能量光子才可以到達高激發態,而高亮度、可調諧極紫外光源十分缺乏,分子達到高激發態時是否存在漫游反應一直未得到證實。

袁開軍研究員和楊學明院士團隊從事分子光化學反應研究多年,始終堅信分子在高激發態存在漫游反應,但是由于高亮度極紫外光源的缺乏導致進展緩慢。

關鍵時刻“利刃出鞘”

大連相干光源的出現成為了破局的“利器”。

大連相干光源是該團隊聯合上海應用物理研究所研制的我國第一臺極紫外自由電子激光用戶裝置,也是全球唯一運行在極紫外波段的自由電子激光裝置,是世界上最亮的極紫外光源。通過大連相干光源輸出高亮度、波長可以調諧的極紫外光,可以激發任何分子到特定的高激發態。“可以說,大連相干光源打開了研究分子高激發態反應機理研究的大門。”袁開軍告訴《中國科學報》。

“在研制大連相干光源的時候,楊老師就提前部署了幾個重點研究方向,比如星際化學、大氣環境、能源化學和生物制藥等等。大連相干光源不滿足于僅僅為用戶提供機時,而是主動策劃重大科學問題的攻關。大連相干光源每個實驗站的負責人都是經驗豐富的科學家,除了協助用戶開展科學研究,同時組織重點科技任務攻關,這一定程度上也體現了建制化科研的作用。”袁開軍介紹道。

團隊利用大連相干光源制備出高激發態的二氧化硫分子,隨后二氧化硫自主解離產生硫原子和氧氣分子碎片。同時,他們結合了自主研制的高分辨離子成像技術,探測了激發態氧氣產物的量子態分布。實驗發現,二氧化硫分子在133納米波段附近解離產生的激發態氧氣產物,呈現出兩種振動量子態分布。

“雙向奔赴”讓1+1>2

實驗得到結果后,傅碧娜研究員和張東輝院士團隊在理論方面也沒“閑”著。

他們利用自主發展的高精度激發態勢能面構建方法和產物量子態分辨的動力學計算,精確重現了實驗所觀測到的現象,揭示了高激發態的二氧化硫分子可以通過漫游反應產生高振動分布的氧氣產物,而傳統的最小能量路徑只產生低振動分布的氧氣產物。

“實驗和理論的‘雙向奔赴’,證實了高激發態漫游反應通道的存在,表明了漫游反應在化學反應中是普遍存在的。”傅碧娜說。

事實上,這并不是楊學明院士團隊和張東輝院士團隊的合作“首秀”,在此之前,他們已經合作在《科學》發表過11篇論文,兩個團隊在大連化物所也有著“天作之合”的美譽。

“天作之合”團隊合照。大連化物所供圖

2006年初,楊學明和張東輝就在理論和實踐方面“雙劍合璧”,在分子反應動力學研究中碰撞出了“火花”。他們瞄準的,一直都是化學反應動力學前沿基礎研究。

“因為人類的認知范圍就像是一個圓圈,每一次基礎研究的突破,都擴展了這個圓的邊界,都是對人類知識體系的進一步擴充。”楊學明院士強調。

張東輝院士提起合作曾笑稱:“我們的合作可以說是‘1+1>2’,這是一個越來越彼此信任的過程。”

無獨有偶,此次論文發表過程中,袁開軍和傅碧娜印象最深的也是一位審稿人的意見,他評價該文章是實驗和理論的完美結合,體現了1+1>2的作用。

多篇頂刊論文的發表,對兩個團隊來說既是激勵也是挑戰,在化學反應動力學這一基礎研究領域每前進一步,都是一個嶄新的開始。

作為兩個團隊合作的“第二代”,袁開軍和傅碧娜也有著對未來的展望:“除了二氧化硫分子,我們將利用大連相干光源開展更多的星際分子極紫外光化學研究,深入理解分子光化學過程在宇宙分子演化和生命起源所起的作用,同時推動科學家發展新的理論模型和計算方法,以此來更精準地描述和預測化學反應。”(來源:中國科學報 孫丹寧)

相關論文信息:https://doi.org/10.1126/science.adn3357

 

今日專家

2016年畢業于煤炭科學研究總院開采研究分院,獲碩士學位,助理研究員...

亮點論文

為了研究三塘湖盆地石頭梅地區二疊系蘆草溝組有機質富集特征,通過對巖芯詳細觀察和泥巖系統取樣,開展了有機碳、巖石熱解、主量元素、微量元素測試分析。結果表明,三...

今日企業

主辦單位:煤炭科學研究總院有限公司 中國煤炭學會學術期刊工作委員會

©版權所有2015 煤炭科學研究總院有限公司 地址:北京市朝陽區和平里青年溝東路煤炭大廈 郵編:100013
京ICP備05086979號-16  技術支持:云智互聯
無码高清中文字幕_国产成人av国语在线观看_中文字幕无码中文幕_东京热高清无码系列