Las reacciones de transferencia de carga por colisión (CCTR) se encuentran ampliamente en entornos complejos en fase gaseosa, como el medio interestelar, atmósferas planetarias y plasmas, etc. Explorar los mecanismos de las CCTR a nivel molecular es científicamente importante para analizar la evolución de la materia y los procesos de transferencia de energía. en estos entornos complejos en fase gaseosa. Ar plus plus N2 → Ar plus N2 plus es el sistema modelo clásico para investigar la dinámica de los CCTR y se ha investigado exhaustivamente experimental y teóricamente durante el último medio siglo. Estudios experimentales y teóricos en el último medio siglo. Sin embargo, el conocimiento del mecanismo de transferencia de carga a nivel molecular de este sistema modelo es limitado debido a la controversia entre diferentes estudios experimentales y la falta de acuerdo entre los cálculos experimentales y teóricos. Esto se debe a la resolución energética relativamente baja del sondeo de productos en experimentos anteriores, lo que dificulta obtener la distribución del estado cuántico de los productos de reacción; En experimentos anteriores, los haces de iones reactivos contenían ambos estados cuánticos de órbita de espín de los iones Ar plus, es decir, el estado fundamental Ar plus (2P3/2) y el estado excitado Ar plus (2P1/2), lo que dificultaba la distinción entre diferentes estados orbitales de espín de los iones Ar plus a las contribuciones relativas de los productos de reacción.
El grupo de Gao Hong, investigador del Laboratorio de Dinámica de Reacción Molecular del Instituto de Química de la Academia de Ciencias de China, diseñó y construyó de forma independiente un dispositivo de haz transversal de iones-molécula selectivo de estado cuántico. Su resolución energética alcanza el nivel líder de instrumentos similares en el mundo. Este estudio es el primero en utilizar ionización láser para preparar haces de iones pulsados de alta pureza en estados cuánticos específicos. La energía cinética del haz de iones se puede ajustar continuamente en el rango de 1,0-5.0 eV, con una dispersión de energía cinética de 150-300 meV. Mientras tanto, el equipo diseñó un sistema de imágenes tridimensionales de la velocidad de los iones, que puede realizar simultáneamente el enfoque de velocidad y el enfoque de tiempo de los iones del producto, con una resolución de velocidad de hasta el 1,5 por ciento.
Recientemente, el equipo ha logrado avances importantes en el estudio de la reacción de transferencia de carga de estado de órbita de espín seleccionado Ar plus (2P3/2) ＋ N2 → Ar ＋ N2 plus (v′, J′). En este estudio, se preparó un haz de iones pulsados de Ar plus (2P3/2) en el estado fundamental de órbita de espín con una pureza superior al 97 por ciento utilizando un método de ionización multifotónica mejorada por resonancia. El haz de iones llega al centro de reacción después de un enfoque desacelerado, cruza perpendicularmente con el haz molecular ultrasónico de N2 colimado y sufre una reacción de transferencia de carga. La distribución de velocidad tridimensional del producto de reacción N2 más iones se midió con precisión mediante un dispositivo de imágenes de velocidad de iones tridimensional. El experimento produjo las imágenes de dispersión mejor resueltas hasta la fecha (Fig. a) y, por primera vez, se midieron con precisión las distribuciones vibratorias y transdinámicas del producto N2 plus iones y su correlación con el ángulo de dispersión. El profesor Hua Guo y el Dr. Dandan Lu de la Universidad de Nuevo México, EE. UU., llevaron a cabo cálculos de salto de superficie de trayectoria en dimensiones completas en el sistema de reacción. Los cálculos alcanzaron un acuerdo semicuantitativo con los resultados experimentales, revelando por primera vez el fuerte mecanismo de transferencia de carga de la reacción dependiente de la dinámica vibratoria del producto (Fig. bd). Se demuestra que la reacción tiene dos mecanismos de transferencia de carga completamente diferentes simultáneamente. Uno es el clásico mecanismo de transferencia de carga Harpoon determinado por interacciones de largo alcance, que ocurre principalmente en el canal de producto N2 más (v′=1). Los iones N2 plus producidos por este proceso se concentran en la región de dispersión directa y tienen una excitación rotacional baja (Fig. c). El otro mecanismo juega un papel importante en el canal de productos N2 más (v′= 2). Los productos del canal se distribuyen predominantemente en la región delantera pero tienen una alta excitación rotacional (Fig. d), lo que es inconsistente con las predicciones del modelo clásico de colisión de esfera dura. Los cálculos teóricos muestran que se trata de un proceso de dispersión de gloria por colisión fuerte (HCLS, por sus siglas en inglés) causado por un delicado equilibrio entre los potenciales atractivos de largo alcance y repulsivos de corto alcance de las dos moléculas reactivas, y es la primera vez que los científicos observan una dispersión singular. Mecanismo en una reacción de transferencia de carga.
Este trabajo realiza el estudio cinético de la transferencia de carga por colisión de un estado cuántico a otro y aclara la controversia de larga data en el estudio de la reacción clásica de transferencia de carga Ar plus plus N2 → Ar plus N2 plus. Los resultados de la investigación relevante se publicaron en Nature Chemistry (DOI: 10.1038/s41557-023-01278-y). El trabajo de investigación contó con el apoyo de la Academia de Ciencias de China, la Fundación de Ciencias Naturales de Beijing y el Centro Nacional de Investigación de Ciencias Moleculares de Beijing.
ICC y otros avanzaron en el estudio de reacciones de transferencia de carga con selección de estado de órbita de espín
(a) Diagrama de dispersión del producto N2 plus, (b) distribuciones de estados cuánticos rotacionales calculadas teóricamente de diferentes niveles de energía vibratoria de N2 plus y gráficos de correlación de excitaciones rotacionales versus ángulos de dispersión para v′=1 (c) y v′=2 (d) niveles de energía vibratoria de N2 más .
