Kollisionsladungstransferreaktionen (CCTRs) kommen häufig in komplexen Gasphasenumgebungen wie interstellaren Medien, Planetenatmosphären und Plasmen usw. vor. Die Erforschung der Mechanismen von CCTRs auf molekularer Ebene ist wissenschaftlich wichtig, um die Materieentwicklung und Energieübertragungsprozesse zu analysieren in diesen komplexen Gasphasenumgebungen.Ar plus plus N2 → Ar plus N2 plus ist das klassische Modellsystem zur Untersuchung der Dynamik von CCTRs und wurde im letzten halben Jahrhundert ausführlich experimentell und theoretisch untersucht. experimentelle und theoretische Studien im letzten halben Jahrhundert. Das Wissen über den Ladungstransfermechanismus auf molekularer Ebene dieses Modellsystems ist jedoch aufgrund der Kontroverse zwischen verschiedenen experimentellen Studien und der mangelnden Übereinstimmung zwischen experimentellen und theoretischen Berechnungen begrenzt. Dies liegt an der relativ geringen Energieauflösung der Produktuntersuchung in früheren Experimenten, die es schwierig macht, die Quantenzustandsverteilung der Reaktionsprodukte zu ermitteln; In früheren Experimenten enthielten die reaktanten Ionenstrahlen beide Spin-Bahn-Quantenzustände von Ar-Plus-Ionen, d. h. den Grundzustand Ar-Plus (2P3/2) und den angeregten Zustand Ar-Plus (2P1/2), was eine Unterscheidung erschwerte unterschiedliche Spin-Orbital-Zustände von Ar-Plus-Ionen zu den relativen Beiträgen der Reaktionsprodukte.
Gao Hongs Gruppe, ein Forscher am Labor für molekulare Reaktionsdynamik des Instituts für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, entwarf und baute unabhängig ein quantenzustandsselektives Ionen-Molekül-Kreuzstrahlgerät. Seine Energieauflösung erreicht das weltweit führende Niveau ähnlicher Instrumente. Diese Studie ist die erste, die Laserionisation nutzt, um hochreine gepulste Ionenstrahlen in bestimmten Quantenzuständen herzustellen. Die kinetische Energie des Ionenstrahls ist im Bereich von 1,0-5,0 eV stufenlos einstellbar, mit einer kinetischen Energiespreizung von 150-300 meV. In der Zwischenzeit hat das Team ein dreidimensionales Ionengeschwindigkeits-Bildgebungssystem entwickelt, das gleichzeitig die Geschwindigkeitsfokussierung und Zeitfokussierung der Produktionen mit einer Geschwindigkeitsauflösung von bis zu 1,5 Prozent realisieren kann.
Kürzlich hat das Team wichtige Fortschritte bei der Untersuchung der durch den Spin-Bahn-Zustand ausgewählten Ladungstransferreaktion Ar plus (2P3/2) + N2 → Ar + N2 plus (v′, J′) erzielt. In dieser Studie wurde ein gepulster Ionenstrahl von Ar plus (2P3/2) im Spin-Bahn-Grundzustand mit einer Reinheit von mehr als 97 Prozent mithilfe einer resonanzverstärkten Multiphotonen-Ionisationsmethode hergestellt. Der Ionenstrahl erreicht nach verlangsamter Fokussierung das Reaktionszentrum, kreuzt senkrecht den kollimierten N2-Ultraschall-Molekularstrahl und durchläuft eine Ladungstransferreaktion. Die dreidimensionale Geschwindigkeitsverteilung des Reaktionsprodukts N2 plus Ionen wurde mit einem dreidimensionalen Ionengeschwindigkeits-Bildgebungsgerät präzise gemessen. Das Experiment lieferte die bisher am besten aufgelösten Streubilder (Abb. a) und zum ersten Mal wurden die Schwingungs- und Transdynamikverteilungen des Produkts N2 plus Ionen und ihre Korrelation mit dem Streuwinkel genau gemessen. Professor Hua Guo und Dr. Dandan Lu von der University of New Mexico, USA, führten volldimensionale Trajektorien-Oberflächen-Hopping-Berechnungen für das Reaktionssystem durch. Die Berechnungen stimmten halbquantitativ mit den experimentellen Ergebnissen überein und enthüllten zum ersten Mal den stark von der Produktvibrationsdynamik abhängigen Ladungstransfermechanismus der Reaktion (Abb. bd). Es wird gezeigt, dass die Reaktion gleichzeitig über zwei völlig unterschiedliche Ladungsübertragungsmechanismen verfügt. Einer davon ist der klassische Harpoon-Ladungstransfermechanismus, der durch weitreichende Wechselwirkungen bestimmt wird und hauptsächlich im Produktkanal N2 plus (v′=1) auftritt. Die durch diesen Prozess erzeugten N2-Plus-Ionen sind im Vorwärtsstreubereich konzentriert und weisen eine geringe Rotationsanregung auf (Abb. c). Der andere Mechanismus spielt eine wichtige Rolle im Produktkanal N2 plus (v′= 2). Die Kanalprodukte sind überwiegend im Vorwärtsbereich verteilt, weisen jedoch eine hohe Rotationsanregung auf (Abb. d), was nicht mit den Vorhersagen des klassischen Hartkugel-Kollisionsmodells übereinstimmt. Theoretische Berechnungen zeigen, dass es sich hierbei um einen HCLS-Prozess (Hard Collision Glory Scattering) handelt, der durch ein empfindliches Gleichgewicht zwischen den anziehenden und abstoßenden Potenzialen der beiden Reaktantenmoleküle im Fernbereich verursacht wird. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler eine singuläre Streuung beobachtet haben Mechanismus einer Ladungsübertragungsreaktion.
Diese Arbeit realisiert die kinetische Untersuchung des kollisionsbedingten Ladungstransfers von Quantenzustand zu Quantenzustand und klärt die seit langem bestehende Kontroverse bei der Untersuchung der klassischen Ladungstransferreaktion Ar plus plus N2 → Ar plus N2 plus. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in Nature Chemistry veröffentlicht (DOI: 10.1038/s41557-023-01278-y). Die Forschungsarbeit wurde von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Natural Science Foundation of Beijing und dem National Research Center for Molecular Sciences in Peking unterstützt.
ICC und andere erzielten Fortschritte bei der Untersuchung von Ladungstransferreaktionen mit der Auswahl des Spin-Bahn-Zustands
(a) Streudiagramm des Produkts N2 plus, (b) theoretisch berechnete Rotationsquantenzustandsverteilungen verschiedener Schwingungsenergieniveaus von N2 plus und Korrelationsdiagramme von Rotationsanregungen gegenüber Streuwinkeln für v′=1 (c) und v′=2 (d) Schwingungsenergieniveaus von N2 plus .
