华东师大吴健教授团队近期在双分子光化学反应动力学时域观测与相干调控研究取得重要进展。该团队利用飞秒激光脉冲与D₂-D₂二聚体相互作用，成功测量了D₃⁺的形成时间并实现了其出射方向的调控，揭示了自然界中最基本的分子-分子之间化学反应的内在机理。研究成果以“Ultrafast formation dynamics of D₃⁺ from the light-driven bimolecular reaction of the D₂-D₂ dimer”为题，2023年6月1日发表在Nature Chemistry。

《Nature Chemistry》在线刊发吴健教授团队研究成果

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，华东师范大学科研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，华东师范大学科研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（1飞秒=10^-15秒）。该反应的动力学过程如图2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）。

D₂+D_2→D₃⁺+D的光诱导反应机理

在测得双分子光化学反应时间的基础之上，华东师范大学科研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（图3）。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。

实验设计原理

该课题由华东师范大学吴健教授团队、东华大学朱美芳院士和闻瑾研究员团队、德国法兰克福大学Reinhard Dörner教授和林康博士合作完成，华东师范大学为第一完成单位。工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、华东师范大学科技项目的支持与资助。林康博士、闻瑾研究员和吴健教授为论文的共同通讯作者，华东师范大学博士研究生周莲蓉为论文第一作者。

附：

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01230-0