Kollisionsladningsoverførselsreaktioner (CCTR'er) findes i vid udstrækning i komplekse gasfasemiljøer såsom interstellart medium, planetariske atmosfærer og plasmaer osv. Udforskning af CCTR'ers mekanismer på molekylært niveau er videnskabeligt vigtigt for at analysere stofudviklingen og energioverførselsprocesserne i disse komplekse gasfasemiljøer.Ar plus plus N2 → Ar plus N2 plus er det klassiske modelsystem til at undersøge dynamikken i CCTR'er, og det er blevet grundigt undersøgt eksperimentelt og teoretisk i løbet af det sidste halve århundrede. eksperimentelle og teoretiske undersøgelser i det sidste halve århundrede. Kendskabet til ladningsoverførselsmekanismen på dette modelsystems molekylære niveau er imidlertid begrænset på grund af kontroversen mellem forskellige eksperimentelle undersøgelser og manglen på overensstemmelse mellem eksperimentelle og teoretiske beregninger. Dette skyldes den relativt lave energiopløsning af produktsondering i tidligere eksperimenter, hvilket gør det vanskeligt at opnå kvantetilstandsfordelingen af reaktionsprodukterne; i tidligere eksperimenter indeholdt reaktant-ionstrålerne både spin-orbit kvantetilstande af Ar plus ioner, dvs. grundtilstanden Ar plus (2P3/2) og den exciterede tilstand Ar plus (2P1/2), hvilket gjorde det vanskeligt at skelne mellem forskellige spin-orbitale tilstande af Ar plus ioner til de relative bidrag af reaktionsprodukterne.
Gao Hongs gruppe, en forsker ved Laboratory of Molecular Reaction Dynamics, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, designede og byggede uafhængigt en kvantetilstandsselektiv ion-molekyle-tværstråleanordning. Dens energiopløsning når det førende niveau for lignende instrumenter i verden. Denne undersøgelse er den første til at bruge laserionisering til at forberede høj-renhed pulserede ionstråler i specifikke kvantetilstande. Den kinetiske energi af ionstrålen kan kontinuerligt justeres i området 1.0-5.0 eV, med en kinetisk energispredning på 150-300 meV. I mellemtiden designede holdet et tredimensionelt ionhastighedsbilledsystem, som samtidigt kan realisere hastighedsfokuseringen og tidsfokuseringen af produktionerne med en hastighedsopløsning på op til 1,5 procent.
For nylig har holdet gjort vigtige fremskridt i studiet af den spin-orbit-tilstandsvalgte ladningsoverførselsreaktion Ar plus (2P3/2) ＋ N2 → Ar ＋ N2 plus (v′, J′). I denne undersøgelse blev en pulseret ionstråle af Ar plus (2P3/2) i spin-orbit jordtilstand med en renhed bedre end 97 procent fremstillet ved hjælp af en resonans-forstærket multifoton ioniseringsmetode. Ionstrålen når reaktionscentret efter decelereret fokusering, krydser vinkelret med den kollimerede N2 ultralyds molekylære stråle og gennemgår en ladningsoverførselsreaktion. Den tredimensionelle hastighedsfordeling af reaktionsproduktet N2 plus ioner blev målt nøjagtigt af en tredimensional ionhastighedsbilledanordning. Forsøget gav de bedst opløste spredningsbilleder til dato (fig. a), og for første gang blev de vibrations- og transdynamiske fordelinger af produktet N2 plus ioner og deres korrelation med spredningsvinklen målt nøjagtigt. Professor Hua Guo og Dr. Dandan Lu fra University of New Mexico, USA, udførte fulddimensionelle baneoverfladehopberegninger på reaktionssystemet. Beregningerne nåede en semikvantitativ overensstemmelse med de eksperimentelle resultater, hvilket for første gang afslørede reaktionens stærke produkts vibrationsdynamikafhængige ladningsoverførselsmekanisme (fig. bd). Det er vist, at reaktionen har to helt forskellige ladningsoverførselsmekanismer samtidigt. Den ene er den klassiske Harpoon-ladningsoverførselsmekanisme bestemt af interaktioner på lang rækkevidde, som hovedsageligt forekommer i N2 plus (v′=1) produktkanalen. N2 plus-ionerne produceret ved denne proces er koncentreret i det fremadgående spredningsområde og har lav rotationsexcitation (fig. c). Den anden mekanisme spiller en stor rolle i N2 plus (v′= 2) produktkanalen. Kanalprodukterne er overvejende fordelt i det forreste område, men har høj rotationsexcitation (fig. d), hvilket er i modstrid med forudsigelserne af den klassiske hårdkugle-kollisionsmodel. Teoretiske beregninger viser, at dette er en hård collision glory scattering (HCLS) proces forårsaget af en delikat balance mellem de to reaktantmolekylers langtrækkende attraktive og kortrækkende frastødende potentialer, hvilket er første gang, at forskere har observeret en ensartet spredning. mekanisme i en ladningsoverførselsreaktion.
Dette arbejde realiserer den kinetiske undersøgelse af kollisionsladningsoverførsel fra kvantetilstand til kvantetilstand og afklarer den langvarige kontrovers i studiet af den klassiske ladningsoverførselsreaktion Ar plus plus N2 → Ar plus N2 plus. De relevante forskningsresultater blev offentliggjort i Nature Chemistry (DOI: 10.1038/s41557-023-01278-y). Forskningsarbejdet blev støttet af det kinesiske videnskabsakademi, Beijing Natural Science Foundation og National Research Center for Molecular Sciences i Beijing.
ICC og andre gjorde fremskridt i studiet af ladningsoverførselsreaktioner med spin-orbit-tilstandsvalg
(a) Spredningsdiagram af produktet N2 plus, (b) teoretisk beregnede rotationskvantetilstandsfordelinger af forskellige vibrationsenerginiveauer af N2 plus og korrelationsplot af rotationsexcitationer versus spredningsvinkler for v′=1 (c) og v′=2 (d) vibrationsenerginiveauer på N2 plus .
