H3+及其同位素作为最简单却最重要的星云化学反应始作俑者，一直受到研究人员的广泛关注。氢气分子在宇宙辐射的作用下，发生电离产生氢气离子并进一步与中性的氢气分子发生反应，H2++H2®H3++H，从而形成H3+。H3+能够触发或催化一系列包括形成有机分子和水分子等对宇宙和生命起源具有重要意义的星际化学反应。因此，H­3+也被视为星际化学反应链的起点。然而，此前的工作大多关注对该反应过程中的能量转化的研究，而忽略了化学反应本征时间尺度的超快动力学过程。

另一方面，得益于飞秒化学先驱Zewail的开创性工作，此前通过光化学反应产生H3+离子的工作都是单个分子内部化学键的碎裂和重构。对于更加复杂的分子-分子之间的化学反应，需要有明确的分子之间的距离和时间起点。针对此，吴健教授研究团队通过制备低温冷分子二聚体，基于其相对确定的分子-分子间距离的特性，利用超快泵浦探测手段，直接在时间域观测分子-分子之间的超快动力学过程，实现冷分子-分子之间反应路径和产物的调控。

在该研究中，研究团队利用预冷却的超声分子束制备出低温的氘气分子二聚体(D2-D2)束流作为反应源，然后通过飞秒激光泵浦探测，首次在时间域追踪测得双分子光化学反应D2+D2+nħω®D3++D过程中D3+的形成时间为139飞秒。该反应的动力学过程如图1所示。通过飞秒激光作用于D2-D2二聚体使其发生单电离失去一个电子触发反应（步骤①），二聚体的平衡状态被打破导致D2和D2+相互靠近，形成不稳定的中间产物D4+（步骤②），最后D4+解离碎裂形成稳定的结构D3+（步骤③）。

在测得双分子光化学反应时间的基础之上，研究团队进一步通过调控双色光场实现了D3+产物的出射方向调控。其背后的控制原理是利用不对称的双色光场控制单个D2产生不对称解离碎片D原子并与另一个D2+结合形成D3+。该结果开启了分子-分子之间光化学定向反应相干操控研究的大门。

该研究成果以华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一单位发表于Nature Chemistry 15, 1229–1235 (2023)。同时，科学家Marcos Dantus在Nature Chemistry杂志的“News & Views”栏目发文评价该工作为窥探“原始化学”提供了视野。

图1：D2+D2®D3++D的光诱导反应机理。