Kollisjonsladningsoverføringsreaksjoner (CCTRs) er mye funnet i komplekse gassfasemiljøer som interstellart medium, planetariske atmosfærer og plasmaer osv. Å utforske mekanismene til CCTR-er på molekylært nivå er vitenskapelig viktig for å analysere materieutviklingen og energioverføringsprosessene i disse komplekse gassfase-miljøene. Ar pluss pluss N2 → Ar pluss N2 pluss er det klassiske modellsystemet for å undersøke dynamikken til CCTR-er, og det har blitt grundig undersøkt eksperimentelt og teoretisk i løpet av det siste halve århundret. eksperimentelle og teoretiske studier i det siste halve århundre. Kunnskapen om ladningsoverføringsmekanismen på molekylært nivå av dette modellsystemet er imidlertid begrenset på grunn av kontroversen mellom forskjellige eksperimentelle studier og mangelen på samsvar mellom eksperimentelle og teoretiske beregninger. Dette skyldes den relativt lave energioppløsningen til produktsondering i tidligere eksperimenter, som gjør det vanskelig å oppnå kvantetilstandsfordelingen til reaksjonsproduktene; i tidligere eksperimenter inneholdt reaktant-ionestrålene både spinn-bane kvantetilstander av Ar pluss-ioner, dvs. grunntilstanden Ar pluss (2P3/2) og den eksiterte tilstanden Ar pluss (2P1/2), noe som gjorde det vanskelig å skille mellom forskjellige spinn-orbitale tilstander av Ar pluss ioner til de relative bidragene til reaksjonsproduktene.
Gao Hongs gruppe, en forsker ved Laboratory of Molecular Reaction Dynamics, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, designet og bygde uavhengig en kvantetilstandselektiv ione-molekyl tverrstråleanordning. Dens energioppløsning når det ledende nivået av lignende instrumenter i verden. Denne studien er den første som bruker laserionisering for å forberede pulserende ionestråler med høy renhet i spesifikke kvantetilstander. Den kinetiske energien til ionestrålen er kontinuerlig justerbar i området 1.0-5.0 eV, med en kinetisk energispredning på 150-300 meV. I mellomtiden designet teamet et tredimensjonalt ionehastighetsavbildningssystem, som samtidig kan realisere hastighetsfokusering og tidsfokusering av produktionene, med en hastighetsoppløsning på opptil 1,5 prosent.
Nylig har teamet gjort viktige fremskritt i studiet av den spin-bane-tilstandsvalgte ladningsoverføringsreaksjonen Ar pluss (2P3/2) ＋ N2 → Ar ＋ N2 pluss (v′, J′). I denne studien ble en pulsert ionestråle av Ar pluss (2P3/2) i spinn-bane grunntilstand med en renhet bedre enn 97 prosent forberedt ved bruk av en resonansforsterket multifotonioniseringsmetode. Ionestrålen når reaksjonssenteret etter redusert fokusering, krysser vinkelrett med den kollimerte N2 ultralyd molekylstrålen og gjennomgår en ladningsoverføringsreaksjon. Den tredimensjonale hastighetsfordelingen til reaksjonsproduktet N2 pluss-ioner ble nøyaktig målt av en tredimensjonal ionehastighetsavbildningsanordning. Eksperimentet ga de best oppløste spredningsbildene til dags dato (Fig. a), og for første gang ble vibrasjons- og transdynamiske fordelinger av produktet N2 pluss-ioner og deres korrelasjon med spredningsvinkelen målt nøyaktig. Professor Hua Guo og Dr. Dandan Lu ved University of New Mexico, USA, utførte fulldimensjonale baneoverflatehoppeberegninger på reaksjonssystemet. Beregningene nådde en semi-kvantitativ overensstemmelse med de eksperimentelle resultatene, og avslørte for første gang den sterke produktvibrasjonsdynamikkavhengige ladningsoverføringsmekanismen til reaksjonen (fig. bd). Det er vist at reaksjonen har to helt forskjellige ladningsoverføringsmekanismer samtidig. Den ene er den klassiske Harpoon ladningsoverføringsmekanismen bestemt av langdistanseinteraksjoner, som hovedsakelig skjer i N2 pluss (v′=1) produktkanalen. N2 pluss-ionene som produseres ved denne prosessen er konsentrert i spredningsområdet fremover og har lav rotasjonseksitasjon (fig. c). Den andre mekanismen spiller en stor rolle i N2 pluss (v′= 2) produktkanalen. Kanalproduktene er overveiende fordelt i det forreste området, men har høy rotasjonseksitasjon (fig. d), noe som er inkonsistent med spådommene til den klassiske kollisjonsmodellen med hard sfære. Teoretiske beregninger viser at dette er en hard collision glory scattering (HCLS) prosess forårsaket av en delikat balanse mellom det langdistanse attraktive og kortdistanse frastøtende potensialene til de to reaktantmolekylene, som er første gang forskere har observert en ensartet spredning. mekanisme i en ladningsoverføringsreaksjon.
Dette arbeidet realiserer den kinetiske studien av kollisjonsladningsoverføring fra kvantetilstand til kvantetilstand, og klargjør den langvarige kontroversen i studiet av den klassiske ladningsoverføringsreaksjonen Ar pluss pluss N2 → Ar pluss N2 pluss. De relevante forskningsresultatene ble publisert i Nature Chemistry (DOI: 10.1038/s41557-023-01278-y). Forskningsarbeidet ble støttet av Chinese Academy of Sciences, Natural Science Foundation of Beijing og National Research Center for Molecular Sciences i Beijing.
ICC og andre gjorde fremskritt i studiet av ladningsoverføringsreaksjoner med spin-orbit state-valg
(a) Spredningsdiagram av produktet N2 pluss, (b) teoretisk beregnede rotasjonskvantetilstandsfordelinger av forskjellige vibrasjonsenerginivåer av N2 pluss og korrelasjonsplott av rotasjonseksitasjoner kontra spredningsvinkler for v′=1 (c) og v′=2 (d) vibrasjonsenerginivåer på N2 pluss .
