충돌 전하 전달 반응(CCTR)은 성간 매질, 행성 대기, 플라즈마 등과 같은 복잡한 기상 환경에서 널리 발견됩니다. 분자 수준에서 CCTR의 메커니즘을 탐색하는 것은 물질 진화와 에너지 전달 과정을 분석하는 데 과학적으로 중요합니다. 이러한 복잡한 기상 환경에서 Ar + + N2 → Ar + N2 +는 CCTR의 동역학을 조사하기 위한 고전적인 모델 시스템이며 지난 반세기 동안 실험적으로, 이론적으로 광범위하게 조사되었습니다. 지난 반세기 동안의 실험적, 이론적 연구. 그러나 이 모델 시스템의 분자 수준에서 전하 이동 메커니즘에 대한 지식은 다양한 실험 연구 간의 논쟁과 실험 계산과 이론적 계산 간의 일치 부족으로 인해 제한됩니다. 이는 이전 실험에서 제품 프로빙의 에너지 분해능이 상대적으로 낮기 때문에 반응 제품의 양자 상태 분포를 얻기가 어렵기 때문입니다. 이전 실험에서 반응물 이온빔에는 Ar 플러스 이온의 스핀-궤도 양자 상태, 즉 바닥 상태 Ar 플러스(2P3/2)와 여기 상태 Ar 플러스(2P1/2)가 모두 포함되어 있어 두 가지를 구별하기가 어렵습니다. 반응 생성물의 상대적인 기여에 대한 Ar 플러스 이온의 다양한 스핀 궤도 상태.
중국과학원 화학연구소 분자반응동역학연구소 연구원인 Gao Hong 그룹은 양자 상태 선택형 이온-분자 크로스빔 장치를 독립적으로 설계하고 제작했습니다. 에너지 분해능은 세계 유사한 장비 중 최고의 수준에 도달합니다. 이 연구는 특정 양자 상태에서 고순도 펄스 이온빔을 준비하기 위해 레이저 이온화를 사용한 최초의 연구입니다. 이온빔의 운동 에너지는 1.0-5.0 eV 범위에서 지속적으로 조정 가능하며 운동 에너지 확산은 150-300 meV입니다. 한편, 연구팀은 최대 1.5%의 속도 분해능으로 생성 이온의 속도 포커싱과 시간 포커싱을 동시에 구현할 수 있는 3차원 이온 속도 이미징 시스템을 설계했습니다.
최근 연구팀은 스핀 궤도 상태 선택 전하 이동 반응 Ar plus(2P3/2) ++ N2 → Ar ++ N2 plus(v', J') 연구에서 중요한 진전을 이루었습니다. 본 연구에서는 공명 강화 다광자 이온화 방법을 사용하여 순도 97%보다 우수한 스핀 궤도 바닥 상태의 Ar 플러스(2P3/2) 펄스 이온빔을 제조했습니다. 이온빔은 감속된 포커싱 후 반응중심에 도달하고 시준된 N2 초음파 분자빔과 수직으로 교차하며 전하 전달 반응을 겪습니다. 반응 생성물 N2 플러스 이온의 3차원 속도 분포는 3차원 이온 속도 이미징 장치로 정확하게 측정되었습니다. 실험은 현재까지 가장 잘 분해된 산란 이미지를 산출했으며(그림 a), 처음으로 생성물 N2 플러스 이온의 진동 및 트랜스다이나믹 분포와 산란 각도와의 상관 관계가 정확하게 측정되었습니다. 미국 뉴멕시코 대학의 Hua Guo 교수와 Dandan Lu 박사는 반응 시스템에 대한 전체 차원 궤적 표면 호핑 계산을 수행했습니다. 계산은 실험 결과와 반정량적 일치에 도달하여 처음으로 반응의 강력한 생성물 진동 역학 의존 전하 전달 메커니즘을 나타냈습니다(그림 bd). 반응에는 완전히 다른 두 가지 전하 이동 메커니즘이 동시에 있는 것으로 나타났습니다. 하나는 N2 플러스(v'{25}}) 생성물 채널에서 주로 발생하는 장거리 상호작용에 의해 결정되는 고전적인 Harpoon 전하 이동 메커니즘입니다. 이 과정에서 생성된 N2 플러스 이온은 전방 산란 영역에 집중되고 낮은 회전 여기를 갖습니다(그림 c). 다른 메커니즘은 N2 플러스(v'= 2) 제품 채널에서 중요한 역할을 합니다. 채널 제품은 주로 전방 영역에 분포되어 있지만 고전적인 하드 구 충돌 모델의 예측과 일치하지 않는 높은 회전 여기(그림 d)를 갖습니다. 이론적 계산에 따르면 이는 두 반응물 분자의 장거리 인력과 단거리 반발 전위 사이의 섬세한 균형으로 인해 발생하는 하드 충돌 글로리 산란(HCLS) 프로세스이며, 이는 과학자들이 단일 산란을 관찰한 최초의 사례입니다. 전하 이동 반응의 메커니즘.
이 연구는 양자 상태에서 양자 상태로의 충돌 전하 이동에 대한 동역학 연구를 실현하고, Ar 플러스 플러스 N2 → Ar 플러스 N2 플러스에 대한 고전적인 전하 이동 반응 연구에서 오랜 논란을 해명합니다. 관련 연구 결과는 Nature Chemistry(DOI: 10.1038/s41557-023-01278-y)에 게재되었습니다. 이 연구 작업은 중국과학원, 베이징 자연과학재단, 베이징 국립분자과학연구센터의 지원을 받았습니다.
ICC 등은 스핀-궤도 상태 선택을 통한 전하 이동 반응 연구에서 진전을 이루었습니다.
(a) 생성물 N2 플러스의 산란 다이어그램, (b) N2 플러스의 다양한 진동 에너지 레벨의 이론적으로 계산된 회전 양자 상태 분포 및 v'= 1(c)에 대한 회전 여기 대 산란 각도의 상관 플롯 및 v′=2 (d) N2 + 의 진동 에너지 수준.
