近日，大连化学物理研究所化学反应动力学全国重点实验室杨学明院士与潘慧琳博士实验团队、张东辉院士和刘舒研究员理论团队，联合中国台湾中央研究院原子与分子科学研究所刘国平院士，开发出一种具备量子态分辨能力的反应散射产物探测新方法。该方法利用单个图像即可揭示F+CH4反应的完整动力学信息。
结合电子电离或光电离质谱与产物飞行时间谱的技术，在加深对化学反应机制的基本认识方面发挥了关键作用。然而，面对包含多个产物通道或多原子产物的复杂反应，该方法通常难以获取产物的量子态分辨信息。此前，刘国平团队将共振增强多光子电离(REMPI)光谱与高分辨离子速度成像技术结合，实现了对F + CD4等反应产物对(v2(CD3)，vDF)的测量。然而，REMPI方法对不同量子态产物的探测灵敏度存在差异，导致不同量子态产物之间难以直接比较。
在本工作中，研究团队通过结合三维速度成像与真空紫外光电离技术，发展了一种具备量子态分辨能力的通用探测方法。团队以反应F + CH4 → CH3(vᵢ) + HF(v)为例，利用该方法仅凭单个产物图像，即可解析产物对(vi，v)各量子态的布居及其散射角度分布，从而揭示了完整的反应动力学图像。
研究团队还基于精确的神经网络势能面，采用自由扭转模型对F + CH4反应进行了态‒态量子动力学计算，获得了这个包含动力学共振六原子反应的六维微分散射截面。实验和理论结果在几乎所有方面都表现出显著的一致性，验证了实验方法和理论模型的可靠性。
此外，实验和理论结果均显示出了高度的模式选择性，大部分反应通量集中在CH3伞形振动模式，这一发现更新了以往对该反应产物分布的认知。团队进一步的研究揭示了反应的内在机制，提出了一种角动量-散射角度关联框架，解释了F、Cl、H等不同原子与甲烷反应的散射行为差异。
由于绝大多数分子可在真空紫外波段实现单光子电离，本工作所提出的新探测方法具有通用性，有望为探索其他传统方法难以研究的重要复杂化学过程提供新途径。
相关研究成果以“State-correlated reaction dynamics unveiled in full from a single product-image measurement”为题，于近日发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。该工作得到了国家自然科学基金、科技部科技创新2030-重大项目、广东省引进创新科研团队专项，中国科学院B类先导专项“基于极紫外光源的化学反应过渡态精准探测”和“面向化学研究新范式的精准智能化学”等项目的支持。(文/图 刘舒、潘慧琳)
