衝突電荷移動反応 (CCTR) は、星間物質、惑星大気、プラズマなどの複雑な気相環境で広く見られます。分子レベルで CCTR のメカニズムを探ることは、物質の進化とエネルギー移動プロセスを分析するために科学的に重要です。 Ar プラス N2 → Ar プラス N2 プラスは、CCTR のダイナミクスを調査するための古典的なモデル システムであり、過去半世紀にわたって実験的および理論的に広範に調査されてきました。 過去半世紀にわたる実験的および理論的研究。 しかし、このモデル系の分子レベルでの電荷移動機構の知識は、異なる実験研究間の論争、および実験計算と理論計算の間の一致の欠如により限られています。 これは、これまでの実験における生成物プローブのエネルギー分解能が比較的低く、反応生成物の量子状態分布を取得することが困難であるためです。 以前の実験では、反応物イオン ビームには Ar プラス イオンの両方のスピン軌道量子状態、つまり基底状態 Ar プラス (2P3/2) と励起状態 Ar プラス (2P1/2) が含まれていたため、両者を区別することが困難でした。反応生成物の相対的な寄与に対する Ar プラスイオンの異なるスピン軌道状態。
中国科学院化学研究所分子反応力学研究室の研究者であるガオ・ホン氏のグループは、量子状態選択性イオン分子クロスビーム装置を独自に設計、構築した。 そのエネルギー分解能は、世界の同様の機器のトップレベルに達しています。 この研究は、レーザーイオン化を使用して特定の量子状態の高純度パルスイオンビームを調製した最初の研究です。 イオンビームの運動エネルギーは 1.0-5.0 eV の範囲で連続的に調整でき、運動エネルギーの広がりは 150-300 meV です。 一方、チームは、最大1.5パーセントの速度分解能でプロダクトイオンの速度集束と時間集束を同時に実現できる三次元イオン速度イメージングシステムを設計した。
最近、チームはスピン軌道状態選択電荷移動反応 Ar プラス (2P3/2) ＋ N2 → Ar ＋ N2 プラス (v', J') の研究で重要な進歩を遂げました。 この研究では、共鳴増強多光子イオン化法を用いて、純度97%以上のスピン軌道基底状態にあるArプラス(2P3/2)のパルスイオンビームを調製した。 イオンビームは減速集束後に反応中心に到達し、平行化されたN2超音波分子ビームと直交し、電荷移動反応が起こります。 反応生成物 N2 プラスイオンの 3 次元速度分布を 3 次元イオン速度イメージング装置により精密に測定しました。 この実験により、これまでで最も分解能の高い散乱画像が得られ（図a）、生成物N2プラスイオンの振動分布と超動的分布、およびそれらの散乱角との相関が初めて正確に測定されました。 米国ニューメキシコ大学の Hua Guo 教授と Dandan Lu 博士は、反応系での全次元軌道表面ホッピング計算を実行しました。 計算は実験結果と半定量的な一致に達し、反応の強力な生成物の振動力学に依存する電荷移動メカニズムが初めて明らかになりました（図b～d）。 この反応には 2 つのまったく異なる電荷移動機構が同時に存在することが示されています。 1 つは、長距離相互作用によって決定される古典的な Harpoon 電荷移動メカニズムで、主に N2 プラス (v'=1) 生成チャネルで発生します。 このプロセスで生成される N2 プラス イオンは前方散乱領域に集中し、回転励起が低くなります (図 c)。 もう 1 つのメカニズムは、N2 プラス (v'= 2) 製品チャネルで重要な役割を果たします。 チャネル積は主に前方領域に分布していますが、回転励起が高く（図 d）、これは古典的な硬球衝突モデルの予測と矛盾しています。 理論計算によると、これは 2 つの反応物分子の長距離引力ポテンシャルと短距離反発ポテンシャルの間の微妙なバランスによって引き起こされるハード衝突栄光散乱 (HCLS) プロセスであり、科学者が特異な散乱を観察したのはこれが初めてです。電荷移動反応のメカニズム。
この研究は、量子状態から量子状態への衝突電荷移動の速度論的研究を実現し、古典的な電荷移動反応 Ar プラス プラス N2 → Ar プラス N2 プラス の研究における長年の論争を明確にします。 関連する研究結果は、Nature Chemistry (DOI: 10.1038/s41557-023-01278-y) に掲載されました。 この研究活動は、中国科学院、北京自然科学財団、北京の国立分子科学研究センターの支援を受けた。
ICC などはスピン軌道状態選択による電荷移動反応の研究を進歩させた
(a) 積 N2 plus の散乱図、(b) N2 plus のさまざまな振動エネルギー準位の理論的に計算された回転量子状態分布、および v'=1 の回転励起と散乱角の相関プロット (c) およびv'=2 (d) N2 と の振動エネルギー準位。
