微观世界里分子和原子像“登山者”一样，需要“翻山越岭”攀过能量壁垒这座“高山”，才能发生化学反应转换为新的物质。

在此前的化学反应过渡态理论中，反应主要沿着最小能量路径进行，就像登山通常要找到最低的山脊线越过高山，以求用最小的能量消耗来完成任务。

然而在某些化学反应中，科学家发现，分子可能会在山峰外围“绕圈”。从微观的角度看，原子或者基团不会立即从分子中断开，而是在分子附近晃荡，忽远忽近，就像“漫游”在太空里的宇航员一样，最终形成与传统化学反应不同的产物，这就是“漫游反应”。

“照亮”漫游反应的那“一束光”

2004年，科学家通过实验和理论首次发现漫游反应机理后，对漫游反应机理的解析一直局限于分子的低电子态和基态。

这是由于分子只有吸收极紫外光的高能量光子才可以到达高激发态，而高亮度、可调谐极紫外光源十分缺乏，分子达到高激发态时是否存在漫游反应一直未得到证实。

大连相干光源的出现使难题迎刃而解。通过中国科学院大连化物所联合中国科学院上海应物所研制的大连相干光源，输出高亮度、波长可以调谐的极紫外光，可以激发任何分子到特定的高激发态。

▲科学家发现首例分子高激发态的漫游反应通道

实验与理论 “双向奔赴”

近日，中国科学院大连化物所袁开军研究员和杨学明院士实验团队联合傅碧娜研究员和张东辉院士理论团队，利用大连相干光源发现了首例分子高激发态的漫游反应通道，表明了漫游反应机理在化学反应中的普适性，成果于北京时间2月16日发表在《科学》（Science）杂志上。

团队利用大连相干光源制备了高激发态的二氧化硫分子，并结合自主研制的高分辨离子成像技术探测了激发态氧气产物的量子态分布。

实验发现，二氧化硫分子在133纳米波段附近解离产生的激发态氧气产物呈现两种振动量子态分布。

▲二氧化硫光解产物硫原子离子影像（左）和氧气的两种振动量子态分布（右：红色和蓝色柱状图分别代表高振动和低振动分布）

随后，傅碧娜和张东辉理论团队精确重现了实验所观测到的现象，揭示了高激发态的二氧化硫分子可以通过漫游反应产生高振动分布的氧气产物，而传统的最小能量路径只产生低振动分布的氧气产物。如果把氧气分子的化学键比作弹簧，高振动的氧气意味着弹簧压缩和拉伸的幅度更大，漫游反应产生更高能态的氧气产物可能在化学反应中更活泼。

实验和理论结果的一致，证实了高激发态漫游反应通道的存在，表明了漫游反应在化学反应中普遍存在。

▲理论计算二氧化硫通过漫游（Roaming）反应和传统最小能量路径（MEP）产生氧气产物的两种振动量子态分布（左）二氧化硫高激发态漫游反应的势能面示意图（右）

“通过这项研究，我们对以往化学反应的理论产生了新的认知，很多传统化学反应理论无法解释的现象都有可能用漫游反应机理得到解释，这将提升人们对化学反应本质的进一步理解。”杨学明说，“每一次基础研究的突破，都扩展了人类认知的边界，扩充了人类的知识储备。”

来源：中国科学院大连化学物理研究所

责任编辑：曹旸