Reacțiile de transfer de sarcină colizional (CCTR) se găsesc pe scară largă în medii complexe în fază gazoasă, cum ar fi mediul interstelar, atmosfere planetare și plasme etc. Explorarea mecanismelor CCTR la nivel molecular este importantă din punct de vedere științific pentru a analiza evoluția materiei și procesele de transfer de energie. în aceste medii complexe în fază gazoasă.Ar plus plus N2 → Ar plus N2 plus este sistemul model clasic pentru investigarea dinamicii CCTR și a fost investigat pe larg experimental și teoretic în ultima jumătate de secol. studii experimentale și teoretice din ultima jumătate de secol. Cu toate acestea, cunoașterea mecanismului de transfer de sarcină la nivel molecular al acestui sistem model este limitată din cauza controverselor dintre diferitele studii experimentale și a lipsei de acord între calculele experimentale și teoretice. Acest lucru se datorează rezoluției energetice relativ scăzute a probei de produs în experimentele anterioare, ceea ce face dificilă obținerea distribuției stării cuantice a produselor de reacție; în experimentele anterioare, fasciculele de ioni reactanți au conținut ambele stări cuantice de spin-orbita ale ionilor Ar plus, adică starea fundamentală Ar plus (2P3/2) și starea excitată Ar plus (2P1/2), făcând dificilă diferența între diferite stări spin-orbitale ale Ar plus ionii la contribuțiile relative ale produșilor de reacție.
Grupul lui Gao Hong, cercetător la Laboratorul de Dinamica Reacțiilor Moleculare, Institutul de Chimie, Academia Chineză de Științe, a proiectat și construit în mod independent un dispozitiv cu fascicul încrucișat cuantic cuantic selectiv de ioni și molecule. Rezoluția sa energetică atinge cel mai bun nivel al instrumentelor similare din lume. Acest studiu este primul care folosește ionizarea laser pentru a pregăti fascicule de ioni pulsați de înaltă puritate în stări cuantice specifice. Energia cinetică a fasciculului de ioni este reglabilă continuu în intervalul de 1.0-5.0 eV, cu o răspândire a energiei cinetice de 150-300 meV. Între timp, echipa a proiectat un sistem de imagini tridimensionale cu viteza ionică, care poate realiza simultan focalizarea vitezei și focalizarea în timp a ionilor de produs, cu o rezoluție a vitezei de până la 1,5 la sută.
Recent, echipa a făcut progrese importante în studiul reacției de transfer de sarcină selectate în funcție de starea spin-orbita Ar plus (2P3/2) ＋ N2 → Ar ＋ N2 plus (v′, J′). În acest studiu, un fascicul de ioni pulsați de Ar plus (2P3/2) în starea fundamentală de spin-orbită cu o puritate mai bună de 97% a fost preparat utilizând o metodă de ionizare multifotoni îmbunătățită cu rezonanță. Fasciculul ionic ajunge în centrul de reacție după focalizare decelerată, traversează perpendicular cu fasciculul molecular cu ultrasunete N2 colimat și suferă o reacție de transfer de sarcină. Distribuția tridimensională a vitezei produsului de reacție N2 plus ioni a fost măsurată cu precizie de un dispozitiv de imagistică tridimensional a vitezei ionilor. Experimentul a dat cele mai bine rezolvate imagini de împrăștiere până în prezent (Fig. a) și, pentru prima dată, distribuțiile vibraționale și transdinamice ale produsului N2 plus ionii și corelarea lor cu unghiul de împrăștiere au fost măsurate cu precizie. Profesorul Hua Guo și dr. Dandan Lu de la Universitatea din New Mexico, SUA, au efectuat calcule cu sărituri de suprafață a traiectoriei în întregime pe sistemul de reacție. Calculele au ajuns la un acord semicantitativ cu rezultatele experimentale, dezvăluind pentru prima dată mecanismul de transfer al sarcinii dependent de dinamica vibrațională a produsului puternic al reacției (Fig. bd). Se arată că reacția are două mecanisme de transfer de sarcină complet diferite simultan. Unul este mecanismul clasic de transfer de sarcină Harpoon determinat de interacțiuni pe distanță lungă, care apare în principal în canalul de produs N2 plus (v′=1). Ionii de N2 plus produși prin acest proces sunt concentrați în regiunea de împrăștiere înainte și au o excitație rotațională scăzută (Fig. c). Celălalt mecanism joacă un rol major în canalul de produs N2 plus (v′= 2). Produsele de canal sunt distribuite predominant în regiunea înainte, dar au o excitație de rotație mare (Fig. d), care este în contradicție cu predicțiile modelului clasic de coliziune cu sferă tare. Calculele teoretice arată că acesta este un proces de împrăștiere a gloriei de coliziune dură (HCLS) cauzat de un echilibru delicat între potențialele atractive pe rază lungă și potențialele de respingere pe rază scurtă ale celor două molecule reactante, care este prima dată când oamenii de știință au observat o împrăștiere singulară. mecanism într-o reacție de transfer de sarcină.
Această lucrare realizează studiul cinetic al transferului de sarcină colizional de la starea cuantică la starea cuantică și clarifică controversa de lungă durată în studiul reacției clasice de transfer de sarcină Ar plus plus N2 → Ar plus N2 plus. Rezultatele cercetării relevante au fost publicate în Nature Chemistry (DOI: 10.1038/s41557-023-01278-y). Lucrarea de cercetare a fost susținută de Academia Chineză de Științe, Fundația de Științe Naturale din Beijing și Centrul Național de Cercetare pentru Științe Moleculare din Beijing.
ICC și alții au făcut progrese în studiul reacțiilor de transfer de sarcină cu selecția stării de spin-orbită
(a) Diagrama de împrăștiere a produsului N2 plus , (b) distribuțiile de stări cuantice de rotație calculate teoretic ale diferitelor niveluri de energie vibrațională ale N2 plus și diagrame de corelație ale excitațiilor de rotație față de unghiurile de împrăștiere pentru v′=1 (c) și v′=2 (d) nivelurile de energie vibrațională ale N2 plus .
