Les réactions de transfert de charge par collision (CCTR) sont largement trouvées dans des environnements complexes en phase gazeuse tels que le milieu interstellaire, les atmosphères planétaires et les plasmas, etc. L'exploration des mécanismes des CCTR au niveau moléculaire est scientifiquement importante pour analyser l'évolution de la matière et les processus de transfert d'énergie. dans ces environnements complexes en phase gazeuse.Ar plus plus N2 → Ar plus N2 plus est le système modèle classique pour étudier la dynamique des CCTR, et il a fait l'objet d'études approfondies expérimentalement et théoriquement au cours du dernier demi-siècle. études expérimentales et théoriques au cours du dernier demi-siècle. Cependant, la connaissance du mécanisme de transfert de charge au niveau moléculaire de ce système modèle est limitée en raison de la controverse entre les différentes études expérimentales et du manque d'accord entre les calculs expérimentaux et théoriques. Cela est dû à la résolution énergétique relativement faible du sondage des produits dans les expériences précédentes, ce qui rend difficile l'obtention de la distribution de l'état quantique des produits de réaction ; dans des expériences précédentes, les faisceaux d'ions réactifs contenaient à la fois les états quantiques spin-orbite des ions Ar plus, c'est-à-dire l'état fondamental Ar plus (2P3/2) et l'état excité Ar plus (2P1/2), ce qui rend difficile la distinction entre différents états spin-orbitaux des ions Ar plus aux contributions relatives des produits de réaction.
Le groupe de Gao Hong, chercheur au Laboratoire de dynamique des réactions moléculaires de l'Institut de chimie de l'Académie chinoise des sciences, a conçu et construit de manière indépendante un dispositif à faisceau croisé ion-molécule sélectif d'état quantique. Sa résolution énergétique atteint le premier niveau d’instruments similaires dans le monde. Cette étude est la première à utiliser l’ionisation laser pour préparer des faisceaux d’ions pulsés de haute pureté dans des états quantiques spécifiques. L'énergie cinétique du faisceau d'ions est réglable en continu dans la plage de 1,0-5.0 eV, avec une répartition de l'énergie cinétique de 150-300 meV. Parallèlement, l'équipe a conçu un système d'imagerie tridimensionnelle de la vitesse des ions, capable de réaliser simultanément la focalisation de la vitesse et la focalisation temporelle des ions produits, avec une résolution de vitesse allant jusqu'à 1,5 %.
Récemment, l’équipe a réalisé d’importants progrès dans l’étude de la réaction de transfert de charge sélectionnée par l’état spin-orbite Ar plus (2P3/2) ＋ N2 → Ar ＋ N2 plus (v′, J′). Dans cette étude, un faisceau d'ions pulsés d'Ar plus (2P3/2) dans l'état fondamental spin-orbite avec une pureté supérieure à 97 % a été préparé à l'aide d'une méthode d'ionisation multiphotonique améliorée par résonance. Le faisceau d'ions atteint le centre de réaction après une focalisation décélérée, croise perpendiculairement le faisceau moléculaire ultrasonique N2 collimaté et subit une réaction de transfert de charge. La distribution de vitesse tridimensionnelle du produit de réaction N2 plus les ions a été mesurée avec précision par un dispositif d'imagerie de vitesse ionique tridimensionnelle. L'expérience a donné les images de diffusion les mieux résolues à ce jour (Fig. a) et, pour la première fois, les distributions vibrationnelles et transdynamiques du produit N2 plus les ions ainsi que leur corrélation avec l'angle de diffusion ont été mesurées avec précision. Le professeur Hua Guo et le Dr Dandan Lu de l'Université du Nouveau-Mexique, aux États-Unis, ont effectué des calculs de sauts de trajectoire en pleine dimension sur le système de réaction. Les calculs ont atteint un accord semi-quantitatif avec les résultats expérimentaux, révélant pour la première fois le fort mécanisme de transfert de charge dépendant de la dynamique vibrationnelle du produit de la réaction (Fig. bd). Il est montré que la réaction implique simultanément deux mécanismes de transfert de charge complètement différents. L’un est le mécanisme classique de transfert de charge Harpoon déterminé par des interactions à longue portée, qui se produit principalement dans le canal de produit N2 plus (v′=1). Les ions N2 plus produits par ce processus sont concentrés dans la région de diffusion vers l'avant et ont une faible excitation rotationnelle (Fig. c). L'autre mécanisme joue un rôle majeur dans le canal de produits N2 plus (v′= 2). Les produits de canal sont principalement distribués dans la région avant mais présentent une excitation rotationnelle élevée (Fig. d), ce qui est incompatible avec les prédictions du modèle classique de collision à sphère dure. Les calculs théoriques montrent qu'il s'agit d'un processus de diffusion de gloire par collision dure (HCLS) provoqué par un équilibre délicat entre les potentiels attractifs à longue portée et répulsifs à courte portée des deux molécules réactives. C'est la première fois que les scientifiques observent une diffusion singulière. mécanisme dans une réaction de transfert de charge.
Ce travail réalise l'étude cinétique du transfert de charge collisionnel d'un état quantique à un état quantique, et clarifie la controverse de longue date dans l'étude de la réaction classique de transfert de charge Ar plus plus N2 → Ar plus N2 plus . Les résultats de recherche pertinents ont été publiés dans Nature Chemistry (DOI : 10.1038/s41557-023-01278-y). Les travaux de recherche ont été soutenus par l'Académie chinoise des sciences, la Fondation des sciences naturelles de Pékin et le Centre national de recherche pour les sciences moléculaires de Pékin.
ICC et d'autres ont progressé dans l'étude des réactions de transfert de charge avec sélection d'état spin-orbite
(a) Diagramme de diffusion du produit N2 plus, (b) distributions d'états quantiques de rotation théoriquement calculées de différents niveaux d'énergie vibrationnelle de N2 plus et tracés de corrélation des excitations de rotation en fonction des angles de diffusion pour le v′=1 (c) et v′=2 (d) niveaux d'énergie vibratoire de N2 plus .
