化学反应无处不在，在化工生产过程中，工程师通过添加催化剂，改变化学过程的温度、压力等宏观参数，在一定程度上控制化学反应得到所需产物。随着人们对化学反应的认识达到原子分子尺度和量子态的水平，如何在更精细水平上对化学反应进行调控，成了化学科学研究的新课题。
中科院大连化学物理研究所杨学明院士、肖春雷研究员团队联合张东辉院士、张兆军副研究员团队从实验和理论双重角度，在H（氢）+HD（氢氘）反应中实现了立体动力学精准调控。相关成果近日发表于《科学》，审稿人评价该工作是“反应动力学领域里程碑式的突破”。
立体动力学效应是化学反应中一个基础而重要的问题，主要关注碰撞过程中反应物分子的空间取向对反应过程的影响。如何利用立体动力学效应实现对化学反应过程和结果的精细控制，是化学动力学的研究前沿。
氢分子是最简单的分子，它就像一个哑铃，由两个氢原子通过类似“弹簧”的共价键连接而成。在与另一分子相互接近的过程中，由于氢分子是非极性双原子分子，不容易发生取向变化，因此其参与的基元化学反应是研究立体动力学效应的理想模型。
化学反应的实质是微观粒子相互碰撞并引发旧化学键断裂、新化学键形成的过程。在碰撞过程中，控制分子化学键的方向十分困难。由于人们难以在实验上制备足够数量的具有特定取向的氢分子，因而无法研究相关反应中的立体动力学现象。
针对这一挑战，研究团队自主研制了一种高能量、单纵模纳秒脉冲光参量振荡放大器。激光作用于氢分子后，可以将氢分子激发至振动激发态。由于振动激发态氢分子化学键的方向与激光电场方向相平行，改变激光的电场方向便可改变分子方向。而激光电场方向又被称为偏振方向，可以简单通过波片这一光学器件对其进行控制。
通过在受激拉曼激发过程中操控激光光子的偏振方向，杨学明、肖春雷实验团队可以在分子束中将能量高效注入氢分子的化学键，同时赋予化学键特定的空间取向，这便成了解决此问题的“关键先生”。
有了控制氢分子化学键方向的技术之后，化学反应的研究驶入了快车道。化学反应都是通过碰撞发生的，而“交叉分子束”技术可以研究化学反应的碰撞过程，通过将反应物分子制备到特定的速度、量子态之后，再进行相互碰撞，可以获得其中的反应机理信息。
团队通过控制HD分子化学键的方向，研究了两种典型的碰撞过程：平行碰撞与垂直碰撞。碰撞之后，反应得以发生，得到的氢分子与氘原子会散射到各个方向，就像台球被碰撞后向四处散去，获得了不同的散射方向。
研究组内成员将张东辉和杨学明的合作称为“双剑合璧”。为了理解动力学过程，张东辉的理论团队开展了非绝热量子动力学模拟。该模拟过程精确重现了实验所观测到的现象，并且结合极化微分截面理论方法，详细分析了反应中存在的立体动力学效应。
理论与实验结果的一致性，验证了通过氢分子量子态空间取向的操控，可以对化学反应进行精细调控，为将来建立精确的化学反应理论体系、发展主动调控化学反应的方法提供了新的思路。