Viện vật lý hóa học Đại Liên phát hiện kênh phản ứng chuyển vùng đầu tiên ở trạng thái phân tử bị kích thích cao bằng cách sử dụng trạm ánh sáng kết hợp Đại Liên

Trong các phản ứng hóa học, phản ứng khuếch tán, với tư cách là một loại cơ chế phản ứng đặc biệt, đã thu hút được sự quan tâm rộng rãi của các nhà khoa học. Viện Vật lý Hóa học Đại Liên, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (sau đây gọi là DICP) đã phát hiện ra trường hợp đầu tiên về kênh phản ứng chuyển vùng ở trạng thái kích thích cao của phân tử bằng cách sử dụng Nguồn sáng kết hợp Đại Liên, chứng tỏ tính phổ quát của chuyển vùng cơ chế phản ứng trong các phản ứng hóa học, đồng thời cung cấp một góc nhìn mới để hiểu và dự đoán các phản ứng hóa học.
Được biết, kết quả nghiên cứu này được hoàn thành bởi nhóm thực nghiệm của nhà nghiên cứu Yuan Kaijun và viện sĩ Yang Xueming của Viện Vật lý Hóa học Đại Liên, cùng với nhóm lý thuyết của nhà nghiên cứu Fu Bina và viện sĩ Zhang Donghui, và kết quả đã được công bố trên tạp chí Khoa học ngày 16 tháng 2, giờ Bắc Kinh.
Việc xảy ra phản ứng hóa học giống như việc “vượt núi”. Trong lý thuyết phản ứng hóa học về trạng thái chuyển tiếp truyền thống, phản ứng chủ yếu đi theo con đường năng lượng tối thiểu, giống như một “người leo núi” thường tìm đến sườn núi thấp nhất và vượt qua một ngọn núi cao để tiêu tốn ít năng lượng nhất. Trong một số phản ứng hóa học, các phân tử có thể “vòng tròn” ra khỏi ngoại vi của các đỉnh núi. Ở góc độ vi mô, các nguyên tử hoặc nhóm không tách ra khỏi phân tử ngay lập tức mà “lượn lờ” gần phân tử, xa và gần phân tử, giống như các phi hành gia “đi lang thang” trong không gian. "chuyển vùng", và cuối cùng tạo thành một sản phẩm khác với phản ứng hóa học truyền thống, đó là phản ứng chuyển vùng.
Vào đầu thế kỷ 21, lần đầu tiên các nhà khoa học đã phát hiện ra phản ứng chuyển vùng. Kể từ đó, việc phân tích cơ chế phản ứng khuếch tán chỉ giới hạn ở trạng thái điện tử thấp và trạng thái cơ bản của các phân tử. Sự xuất hiện của Nguồn sáng kết hợp Đại Liên (DCLS) đã giải quyết được vấn đề. Nguồn sáng kết hợp Đại Liên (DCLS) là tia laser điện tử tự do cực tím đầu tiên của Trung Quốc được phát triển bởi nhóm hợp tác với Viện Vật lý ứng dụng Thượng Hải (SIAP) và là thiết bị sử dụng tia laser điện tử tự do duy nhất trên thế giới hoạt động trong vùng cực tím dải bước sóng. Bằng cách phát ra ánh sáng cực tím có độ sáng cao, có thể điều chỉnh bước sóng từ Nguồn sáng kết hợp Đại Liên, bất kỳ phân tử nào cũng có thể bị kích thích đến trạng thái kích thích cao cụ thể.
Nhóm nhà nghiên cứu Yuan Kaijun và học giả Yang Xueming đã tham gia nghiên cứu các phản ứng quang hóa phân tử trong nhiều năm và luôn tin vào sự tồn tại của các phản ứng chuyển vùng của các phân tử ở trạng thái kích thích cao, "Khi phát triển Nguồn sáng kết hợp Đại Liên nhóm của chúng tôi đã độc lập đưa ra trước một số hướng nghiên cứu và quang hóa phân tử giữa các vì sao là một trong số đó." Yuan Kaijun nói: "Có thể nói rằng Nguồn sáng kết hợp Đại Liên mở ra cánh cửa cho việc nghiên cứu cơ chế phản ứng trạng thái kích thích cao phân tử."
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng Nguồn sáng kết hợp Đại Liên để chuẩn bị các phân tử sulfur dioxide ở trạng thái kích thích cao và kết hợp với công nghệ hình ảnh ion có độ phân giải cao tự phát triển để thăm dò sự phân bố trạng thái lượng tử của các sản phẩm oxy ở trạng thái kích thích. Người ta phát hiện ra rằng các sản phẩm oxy ở trạng thái kích thích được tạo ra bởi sự phân ly của các phân tử sulfur dioxide gần dải 133 nm cho thấy hai sự phân bố trạng thái lượng tử dao động.
Sau đó, nhóm nhà nghiên cứu Bina Fu và học giả Donghui Zhang đã tái tạo chính xác hiện tượng quan sát được bằng thực nghiệm bằng cách sử dụng phương pháp xây dựng bề mặt năng lượng trạng thái kích thích có độ chính xác cao được phát triển độc lập và tính toán động học của độ phân giải trạng thái lượng tử của sản phẩm, cho thấy các phân tử sulfur dioxide ở mức cao trạng thái kích thích có thể tạo ra các sản phẩm oxy có phân bố động lực rung động cao thông qua phản ứng khuếch tán, trong khi con đường năng lượng tối thiểu thông thường chỉ tạo ra các sản phẩm oxy có phân bố động lực rung động thấp. Sự thống nhất giữa các kết quả thực nghiệm và lý thuyết xác nhận sự tồn tại của kênh phản ứng khuếch tán trạng thái kích thích cao và cho thấy các phản ứng khuếch tán rất phổ biến trong các phản ứng hóa học.
"Qua nghiên cứu này, chúng tôi đã tạo ra một nhận thức mới về các lý thuyết trước đây về phản ứng hóa học và nhiều hiện tượng không giải thích được bằng các lý thuyết phản ứng hóa học truyền thống có thể được giải thích bằng cơ chế phản ứng khuếch tán, điều này sẽ nâng cao hiểu biết sâu hơn về bản chất của các phản ứng hóa học. " Viện sĩ Yang Xueming cho biết: “Mỗi bước đột phá trong nghiên cứu cơ bản đều mở rộng ranh giới nhận thức của con người và mở rộng kho tàng tri thức của con người”.