肖春雷课题组低温F+H2反应研究取得进展 -

　近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员肖春雷、孙志刚、中科院院士张东辉和杨学明团队，与美国马里兰大学教授M. Alexander、伯克利大学教授D. Neumark合作，研究了低温下F+H2反应中共振增强隧穿效应，以及探索了其在星际化学中对于产生HF的贡献，相关结果发表在《自然-化学》（Nature Chemistry）上。

　　1997年，科学家在星际云中首次观测到了HF的存在。近几年，赫歇尔空间天文台发现，HF在星际空间是普遍存在的。而HF在星际空间，只能通过F+H2反应才能产生。但是F＋H2反应具有1.8kcal/mol高度的势垒(78meV，相当于800K的高温)，在星际空间的低温下（大约10K左右），这个反应有效发生的具体机制暂不明确，因为即使考虑到通常量子力学的隧穿效应，这个反应也是极难进行的。按照通常量子力学隧穿效应去估计，星际空间的HF的含量是不可能被观测到的。

　　在过去两年，肖春雷和杨学明领导的团队，对现有H原子里德堡态标示时间飞渡谱的交叉分子束装置进行了显著改进，使其能够对低至～1meV碰撞能的F+H2反应的微分截面进行测量。他们利用改进的交叉分子束装置，详细测量了碰撞能1～35meV范围内的后向散射谱。在此后向散射谱上，他们于碰撞能大约5meV的位置观测到了一个独立的谱峰；而于20meV的位置，观测到了轻微的振荡。此外，根据孙志刚等人计算的高精度的FH2-离子的电离能，发现后向散射谱的这两个特征，是和Neumark等人所测得的负离子光电子能谱上过渡态的谱峰精确对应。

　　为了揭示实验所观测到的后向散射谱特征，孙志刚等人采用自行发展的非绝热量子波包动力学方法，进行了详细的动力学分析。理论分析清晰地表明，位于5meV能量处的后向散射谱峰，是精确对应于F+H2反应的基态共振态；而位于20meV能量处的后向散射谱，是精确对应于F+H2反应的激发态共振态。而基态反应共振态对于低温下F+H2反应有显著作用。如果将共振态所导致的共振增强效应移除，F+H2（v=0，j=0）在10K以下的温度下的反应速率常数，会降低三个数量级以上。因此，F+H2在低温时的反应性，其实是通过反应共振态所增强的隧穿效应而产生的，而不是通常简单的隧穿效应。通过精确的理论计算，该工作进而给出了F+H2反应在较宽温度范围的速率常数，这对于星际化学过程的精确模拟和研究具有重要意义。

孙志刚，中国科学院大连化学物理研究所研究员。1978年生，2000年于大连理工大学获学士学位，2005年于我所获博士学位，博士毕业后先后在新加坡国立大学、新加坡南洋理工大学和美国杜克大学从事博士后研究，于2010年6月回所工作，2011年获中国科学院“百人计划”择优支持。研究工作主要涉及利用和发展量子波包的相关算法来研究分子动力学领域中有重要意义的问题，如对三原子反应散射中的共振态、非统计效应以及同位素效应的研究，使用量子波包方法模拟分子的非线性光谱——包括飞秒拉曼光谱和二维红外光谱，发展更加有效的量子波包方法来研究超短激光脉冲作用下原子和小分子中的电子动力学，研究工作还涉及发展更加有效的演化算符来数值求解薛定谔方程。曾获得院优秀博士论文奖、院长优秀奖和中国百篇最具影响优秀国际学术论文奖。目前已在Science、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Phys. Rev. Lett.等国际期刊上发表论文35篇。