Les reaccions de transferència de càrrega de col·lisió (CCTR) es troben àmpliament en entorns complexos en fase gasosa, com ara medi interestel·lar, atmosferes planetàries i plasmes, etc. Explorar els mecanismes dels CCTR a nivell molecular és científicament important per analitzar l'evolució de la matèria i els processos de transferència d'energia. en aquests entorns complexos en fase gasosa. Ar+ + N2 → Ar + N{2+ és el sistema model clàssic per investigar la dinàmica dels CCTR, i s'ha investigat àmpliament experimentalment i teòricament durant l'últim mig segle . estudis experimentals i teòrics durant el darrer mig segle. Tanmateix, el coneixement del mecanisme de transferència de càrrega a nivell molecular d'aquest sistema model és limitat a causa de la controvèrsia entre diferents estudis experimentals i la manca d'acord entre els càlculs experimentals i teòrics. Això es deu a la resolució energètica relativament baixa del sondeig de productes en experiments anteriors, que dificulta l'obtenció de la distribució d'estat quàntic dels productes de reacció; en experiments anteriors, els feixos d'ions reactius contenien ambdós estats quàntics d'òrbita d'espín dels ions Ar+, és a dir, l'estat fonamental Ar+ (2P3/2) i l'estat excitat Ar+ (2P1/2), dificultant la distinció entre diferents espíns. estats orbitals dels ions Ar+ a les contribucions relatives dels productes de reacció.
El grup de Gao Hong, investigador del Laboratori de Dinàmica de la Reacció Molecular, Institut de Química de l'Acadèmia Xinesa de Ciències, va dissenyar i construir de manera independent un dispositiu de feix creuat de molècules iòniques selectives d'estat quàntic. La seva resolució energètica assoleix el nivell líder d'instruments similars al món. Aquest estudi és el primer que utilitza la ionització làser per preparar feixos d'ions polsats d'alta puresa en estats quàntics específics. L'energia cinètica del feix d'ions es pot ajustar contínuament en el rang d'1.0-5.0 eV, amb una propagació d'energia cinètica de 150-300 meV. Mentrestant, l'equip va dissenyar un sistema d'imatge de velocitat iònica tridimensional, que pot realitzar simultàniament l'enfocament de velocitat i l'enfocament temporal dels ions del producte, amb una resolució de velocitat de fins a l'1,5%.
Recentment, l'equip ha fet un avenç important en l'estudi de la reacció de transferència de càrrega seleccionada per l'estat de l'òrbita espín Ar + (2P3/2) ＋ N2 → Ar ＋ N2 + (v′, J′). En aquest estudi, es va preparar un feix d'ions polsats d'Ar + (2P3/2) en l'estat fonamental de l'òrbita de spin amb una puresa millor que el 97% mitjançant un mètode d'ionització multifotòn millorat per ressonància. El feix d'ions arriba al centre de reacció després d'un enfocament desaccelerat, es creua perpendicularment amb el feix molecular d'ultrasons N2 colimat i experimenta una reacció de transferència de càrrega. La distribució tridimensional de velocitat dels ions del producte de reacció N2+ es va mesurar amb precisió mitjançant un dispositiu d'imatge de velocitat d'ions tridimensional. L'experiment va produir les imatges de dispersió millor resoltes fins ara (Fig. a) i, per primera vegada, es van mesurar amb precisió les distribucions vibracionals i transdinàmiques dels ions producte N2+ i la seva correlació amb l'angle de dispersió. El professor Hua Guo i el doctor Dandan Lu de la Universitat de Nou Mèxic, EUA, van realitzar càlculs de salt de superfície de trajectòria a tota dimensió al sistema de reacció. Els càlculs van arribar a un acord semiquantitatiu amb els resultats experimentals, revelant per primera vegada el fort mecanisme de transferència de càrrega depenent de la dinàmica vibracional del producte de la reacció (Figs. bd). Es demostra que la reacció té dos mecanismes de transferència de càrrega completament diferents simultàniament. Un és el clàssic mecanisme de transferència de càrrega de Harpoon determinat per interaccions de llarg abast, que es produeix principalment al canal del producte N2+ (v′=1). Els ions N2+ produïts per aquest procés es concentren a la regió de dispersió cap endavant i tenen una excitació rotacional baixa (Fig. c). L'altre mecanisme té un paper important en el canal de producte N2+ (v′{= 2). Els productes del canal es distribueixen predominantment a la regió cap endavant, però tenen una alta excitació rotacional (Fig. d), que és incompatible amb les prediccions del model clàssic de col·lisió d'esfera dura. Els càlculs teòrics mostren que es tracta d'un procés de dispersió de la glòria de col·lisió dura (HCLS) causat per un delicat equilibri entre els potencials atractius de llarg abast i els potencials repulsius de curt abast de les dues molècules reactives, que és la primera vegada que els científics observen una dispersió singular. mecanisme en una reacció de transferència de càrrega.
Aquest treball realitza l'estudi cinètic de la transferència de càrrega de col·lisió de l'estat quàntic a l'estat quàntic, i aclareix la controvèrsia de llarga data en l'estudi de la reacció clàssica de transferència de càrrega Ar + + N2 → Ar + N2 +. Els resultats de la investigació rellevants es van publicar a Nature Chemistry (DOI: 10.1038/s41557-023-01278-y). El treball de recerca va comptar amb el suport de l'Acadèmia Xinesa de Ciències, la Fundació de Ciències Naturals de Pequín i el Centre Nacional de Recerca de Ciències Moleculars de Pequín.
L'ICC i altres van progressar en l'estudi de les reaccions de transferència de càrrega amb la selecció d'estats d'òrbita de spin
(a) Diagrama de dispersió del producte N2+, (b) distribucions d'estat quàntic de rotació calculades teòricament de diferents nivells d'energia vibracional de N2+ i gràfics de correlació d'excitacions rotacionals en funció dels angles de dispersió per al v′ { {2}} (c) i v′=2 (d) nivells d'energia vibracional de N2+.
