近日，中國科學(xué)院院士、中科院大連化學(xué)物理研究所研究員楊學(xué)明和大連化物所研究員袁開軍團(tuán)隊，與南京大學(xué)教授胡茜茜、謝代前合作，在水分子的光解動力學(xué)研究中取得新進(jìn)展，首次發(fā)現(xiàn)電子激發(fā)態(tài)的OH超級轉(zhuǎn)子。

當(dāng)分子處于一個內(nèi)態(tài)能量高于其第一電離能的高里德堡態(tài)時，學(xué)界把該分子稱為超激發(fā)態(tài)分子。超激發(fā)態(tài)分子作為一個反應(yīng)中間體，發(fā)揮重要作用，尤其是這些分子被認(rèn)為是在電子與分子離子的碰撞反應(yīng)中導(dǎo)致Feshbach共振的原因。星際空間中的高能輻射場產(chǎn)生超激發(fā)態(tài)分子，理解超激發(fā)態(tài)分子的碎片化過程有利于理解在行星上層大氣及星云光解區(qū)域中發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)。然而，由于缺乏真空紫外（VUV）光源，科學(xué)家研究這些超激發(fā)態(tài)分子的碎片化過程具有挑戰(zhàn)性。

大連相干光源的建成出光，為科研人員探索超激發(fā)態(tài)分子的碎片化過程提供契機(jī)。該研究中，袁開軍和楊學(xué)明團(tuán)隊利用大連相干光源的自由電子激光，輸出96.4 nm的真空紫外激光，將水分子激發(fā)到超過第一電離能（98 nm）的高里德堡態(tài)（超激發(fā)態(tài)），結(jié)合H原子高里德堡態(tài)標(biāo)識飛行時間譜技術(shù)，探測超激發(fā)態(tài)的水分子在碎片化過程中產(chǎn)生的H原子，研究人員觀測到處于第一電子激發(fā)態(tài)（A態(tài)）的OH（A）超級轉(zhuǎn)子。OH（A）超級轉(zhuǎn)子由于離心勢壘的束縛而存在，其壽命由隧穿效應(yīng)和預(yù)解離效應(yīng)共同決定。胡茜茜和謝代前團(tuán)隊重新計算OH分子的勢能曲線，計算得到的OH（A）超級轉(zhuǎn)子的隧穿壽命仍較長，如OH（A，v=0，N=36）的隧穿壽命大于2年。但是由于預(yù)解離速率比隧穿速率快好幾個數(shù)量級，因此，這些電子激發(fā)態(tài)的OH超級轉(zhuǎn)子的預(yù)解離壽命短，只有幾十至幾百個皮秒。雖然這些超級轉(zhuǎn)子的壽命短，但是極高的內(nèi)態(tài)能量使它們具有很高的反應(yīng)活性，在地球上層大氣中可能起著尚未被學(xué)界發(fā)現(xiàn)的作用。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理化學(xué)快報》（The Journal of Physical Chemistry Letters）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委動態(tài)化學(xué)前沿研究中心項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、自然科學(xué)基金面上項目、大連化物所“大連相干光源”專項等的支持。

大連化物所利用自由電子激光在水分子的光解中觀測到電子激發(fā)態(tài)的OH超級轉(zhuǎn)子