以人为本 服务至上 科学管理 勤政高效
创新案例

氢原子与氢分子同位素变型反应的新突破

  
 
 
    杨学明  1962年10月生于浙江省德清县。现为中国科学院大连化学物理研究所研究员,博士生导师,分子反应动力学国家重点实验室主任,所长助理。杨学明是国际上分子反应动力学领域的年轻科学家。迄今为止,他在国际学术刊物上共发表论文100多篇,尤其是近几年,他的课题组在氢原子与氢分子同位素变型反应的研究方面获得新突破, 在Nature 、 Science 上连续发表了4篇文章,使量子态分辨的态-态动力学研究提高到新的水平。他曾荣获海外华人物理协会2001-2002年度亚洲成就奖、2000年美国JILA 访问学者奖、2001年国际自由基会议Broida 奖和ISI的经典引文奖。
 
    一、抓好科研“三件事”  瞄准前沿课题
    经常听科技人员说:“要搞好科研工作,应抓三件事,一是抓选题;二是抓好一支训练有素的科研队伍;三是抓好必要的仪器设备;其中选课题最重要,题选好了,研究工作就完成了一半。”
    作为一名优秀科学家,面对“选题”这一关键步骤,杨学明自然把目光瞄准该领域世界科学的前沿—反应中的共振现象,量子干涉效应,反应过渡态对反应动力学的影响等等。这些课题从量子态水平上认识化学反应的本质,探索深层次的现象和规律,无论从实验难度和学术意义来讲,都具有相当大的挑战性;在科研队伍方面,他的团队不乏人才,既有从事实验研究的高手,又有擅长理论计算的专家,形成了一个理论与实验密切配合的高水平研究群体;至于实验装置,杨学明博士更是游刃有余,他在短短的七、八年中,一连设计、建立了三套国际先进水平的实验设备,包括一台氢原子里德堡飞渡时间装置,它的探测灵敏度、飞渡时间分辨率、以及角度测量范围等各项指标均具世界领先水平;一台高灵敏度及低背景噪音的通用型交叉分子束装置;以及一套利用同步辐射光源的新一代交叉分子束装置。
    所有这一切都为他日后的实验研究、探索奠定了良好的基础。
    二、澄清了 H + HD → H2 + D 过程中量子共振现象的机理
    氢原子与氢分子同位素变型反应是最简单的化学反应,一直作为化学反应动态机理阐释和量子反应动力学计算方法的“试金石”, 这也是科研工作者争相探索的原因。科学研究不是简单的重复,也不是凭空想象,需要在实验基础上不断发现新问题,大胆提出假设,用严格的科学实验、理论计算加以验证,在总结前人工作的同时,要有自己独到的见解,这样才能有所突破。杨学明及其领导的课题组正是遵循这一科学规律,一步一个脚印走下去的。
    随着更多精确实验和理论方法的使用,人们在H+D2→HD+D反应中发现产物存在前向散射分布。这归因于在反应过程中还存在着另外的慢速机制,使反应系统出现一个大约25飞秒的延迟。随后的问题是,这一延迟的物理机理是什么?对此存在两种不同的解释:一种是所谓的“阈值”效应,即当反应物接近反应过渡态势垒顶部时,由于较多能量变为势能而导致的延迟;另一种说法是“由于反应物被势能面所束缚,形成某种准束缚态造成了延迟”。杨学明以一个科学家特有的执着精神,对这一有争议的问题紧追不舍。为了探索真正的反应机理,他领导课题组对H + HD → H2 + D进行了详细的研究。凭借先进的实验手段、敏锐的洞察力,他们观察到该反应存在非常有趣的向前散射的产物。实验的难点是:前向散射的信号非常微弱,只有靠24小时不停采集,依靠信号的叠加来解决。如果说前面的观察、分析、推理属于“巧干”,那么现在他们面临的就是“苦干”了—解决弱信号的测试是一个艰苦的实践历程,有时一干就是几个月。量子态分辨的微分反应截面是分子反应动力学的最重要也是最基本的动力学信息,从实验上测量这一截面是一个极具挑战性的课题。杨学明小组将难点逐一解决,通过反应截面的测量,证实了该反应体系的中间过渡态是“量子化瓶颈态”,证明了反应体系存在延迟的机理是“阈值”效应。 这一重要研究结果于2002年发表在《Nature》上。
    三、发现了H+D2 →D+HD双原子分子反应过程中的量子干涉效应  揭示了量子化反应过渡态对反应截面的影响
    对H + HD 反应的研究取得突破性进展之后,杨学明没有停止前进的步伐,而是在此基础上,继续领导课题组在氢原子与氢分子同位素变型反应中寻觅、探索。
    我们知道,势垒型量子化过渡态结构的实验观察以及它们对动力学的影响一直是化学基础研究的一个重要课题。由于采用了自行研制的国际领先水平的氢原子里德堡飞渡时间谱装置,使杨学明小组在研究中夺得先机—世界上首次观察到H+D2双原子分子反应量子化势垒型过渡态的结构。在进一步的探讨中遇了困难:与固定波长的激光相比,使用染料激光器所产生的激光较弱,给测试带来一定难度;另外,在产生H 时,由于HI解离截面与波长有关,所以反应截面需经矫正。通过反复试验,最终使这一技术难题得以解决—采用自行研制的“参考探测器”,探测 H 的浓度作为校正基点,这样,将激光器能量的起伏、HI 解离截面随波长变化等因素统统考虑了进去。杨学明课题组在实验中发现,双分子反应过程的量子效应一般会因为碰撞参数的统计效应而在反应总截面的测量中难于体现。为了显现量子效应,他们测量了实验室角度70°、相当于质心角度大约160°方向上,碰撞能量从0.4到1.0电子伏特之间的微分截面。实验结果清晰地显示了,在所测量的散射方向上,反应截面随碰撞能量的变化而振荡。对实验结果的分析和精确的量子力学散射计算表明,实验测得的振荡现象来自于不同的量子化过渡态(“量子化瓶颈态”)通道之间的干涉结构。所得结果发表在2003年的《Science》上,它澄清了长期以来对反应过渡态这一重要概念的误解,对今后更深入地理解化学反应的本质有很大帮助。
    《Science》审稿人对论文的评语是:“有两个原因使该文成为重要的研究结果:第一,尽管理论家们研究量子化瓶颈态很多年了,但对于它在双分子反应中的存在尚无实验上的证实;第二,量子化瓶颈态对微分截面的影响一直是一个没有明确定义的概念,而该文对此提供了合理的澄清。……这是一篇质量相当高的论文。”
(撰稿人:李芙萼)
 
    点 评:
    杨学明先生领导的课题组近几年先后在“Nature ”和“Science”发表论文4篇,得到了国际同行的关注。他的经验是:选题上瞄准学科的最前沿,不仅学术意义重大,而且极具挑战性;在队伍组织上注重各类人员的结合,把理论计算专家、实验高手和心灵手巧的能工巧匠组织起来,形成一个理论与实验密切结合的高效团队;在研究工作中追求敏锐的观察、大胆的假设、严格的实验、科学的论证,最后是突破和创新