Kollisionsladdningsöverföringsreaktioner (CCTR) finns i stor utsträckning i komplexa gasfasmiljöer såsom interstellärt medium, planetariska atmosfärer och plasma, etc. Att utforska mekanismerna för CCTR:er på molekylär nivå är vetenskapligt viktigt för att analysera materiens utveckling och energiöverföringsprocesser i dessa komplexa gasfasmiljöer.Ar plus plus N2 → Ar plus N2 plus är det klassiska modellsystemet för att undersöka dynamiken hos CCTR:er, och det har undersökts omfattande experimentellt och teoretiskt under det senaste halvseklet. experimentella och teoretiska studier under det senaste halvseklet. Kunskapen om laddningsöverföringsmekanismen på molekylär nivå av detta modellsystem är dock begränsad på grund av kontroversen mellan olika experimentella studier och bristen på överensstämmelse mellan experimentella och teoretiska beräkningar. Detta beror på den relativt låga energiupplösningen av produktsondering i tidigare experiment, vilket gör det svårt att erhålla kvanttillståndsfördelningen för reaktionsprodukterna; i tidigare experiment innehöll reaktantjonstrålarna både spin-orbit kvanttillstånd av Ar plus joner, dvs grundtillståndet Ar plus (2P3/2) och det exciterade tillståndet Ar plus (2P1/2), vilket gjorde det svårt att skilja mellan olika spin-orbitaltillstånd för Ar plus joner till de relativa bidragen från reaktionsprodukterna.
Gao Hongs grupp, en forskare vid Laboratory of Molecular Reaction Dynamics, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, designade och byggde självständigt en kvanttillståndselektiv jon-molekyl-korsstråleanordning. Dess energiupplösning når den ledande nivån av liknande instrument i världen. Denna studie är den första som använder laserjonisering för att förbereda pulsade jonstrålar med hög renhet i specifika kvanttillstånd. Den kinetiska energin för jonstrålen är kontinuerligt justerbar inom området 1.0-5.0 eV, med en kinetisk energispridning på 150-300 meV. Samtidigt designade teamet ett tredimensionellt bildsystem för jonhastighet, som samtidigt kan realisera hastighetsfokuseringen och tidsfokuseringen av produktjonerna, med en hastighetsupplösning på upp till 1,5 procent.
Nyligen har teamet gjort viktiga framsteg i studien av den spin-omloppstillståndsvalda laddningsöverföringsreaktionen Ar plus (2P3/2) ＋ N2 → Ar ＋ N2 plus (v′, J′). I denna studie framställdes en pulsad jonstråle av Ar plus (2P3/2) i spin-omloppsgrundtillståndet med en renhet bättre än 97 procent med hjälp av en resonansförstärkt multifotonjoniseringsmetod. Jonstrålen når reaktionscentrumet efter inbromsad fokusering, korsar vinkelrätt med den kollimerade N2 ultraljudsmolekylstrålen och genomgår en laddningsöverföringsreaktion. Den tredimensionella hastighetsfördelningen av reaktionsprodukten N2 plus joner mättes exakt med en tredimensionell jonhastighetsavbildningsanordning. Experimentet gav de bäst upplösta spridningsbilderna hittills (Fig. a), och för första gången mättes de vibrations- och transdynamiska fördelningarna av produkten N2 plus joner och deras korrelation med spridningsvinkeln noggrant. Professor Hua Guo och Dr. Dandan Lu vid University of New Mexico, USA, utförde fulldimensionella beräkningar av ythoppning av ytan på reaktionssystemet. Beräkningarna nådde en semikvantitativ överensstämmelse med de experimentella resultaten, och avslöjade för första gången den starka produktens vibrationsdynamikberoende laddningsöverföringsmekanism för reaktionen (fig. bd). Det visas att reaktionen har två helt olika laddningsöverföringsmekanismer samtidigt. Den ena är den klassiska Harpoon-laddningsöverföringsmekanismen som bestäms av interaktioner på lång räckvidd, som huvudsakligen sker i produktkanalen N2 plus (v′=1). N2 plus-jonerna som produceras genom denna process är koncentrerade i det framåtriktade spridningsområdet och har låg rotationsexcitation (Fig. c). Den andra mekanismen spelar en stor roll i produktkanalen N2 plus (v′= 2). Kanalprodukterna är övervägande fördelade i det främre området men har hög rotationsexcitation (Fig. d), vilket är oförenligt med förutsägelserna av den klassiska kollisionsmodellen med hårda sfärer. Teoretiska beräkningar visar att detta är en process för hård kollision glory scattering (HCLS) orsakad av en delikat balans mellan de långväga attraktiva och kortdistans repulsiva potentialerna för de två reaktantmolekylerna, vilket är första gången som forskare har observerat en singulär spridning mekanism i en laddningsöverföringsreaktion.
Detta arbete realiserar den kinetiska studien av kollisionsladdningsöverföring från kvanttillstånd till kvanttillstånd, och klargör den långvariga kontroversen i studien av den klassiska laddningsöverföringsreaktionen Ar plus plus N2 → Ar plus N2 plus. De relevanta forskningsresultaten publicerades i Nature Chemistry (DOI: 10.1038/s41557-023-01278-y). Forskningsarbetet stöddes av den kinesiska vetenskapsakademin, Natural Science Foundation of Beijing och National Research Centre for Molecular Sciences i Peking.
ICC och andra gjorde framsteg i studien av laddningsöverföringsreaktioner med val av spin-omloppstillstånd
(a) Spridningsdiagram för produkten N2 plus, (b) teoretiskt beräknade rotationskvanttillståndsfördelningar av olika vibrationsenerginivåer av N2 plus och korrelationsdiagram för rotationsexcitationer mot spridningsvinklar för v′=1 (c) och v′=2 (d) vibrationsenerginivåer för N2 plus .
