精密光谱科学与技术国家重点实验室杨涛研究员在物理、化学、天文学领域发表交叉型研究成果
近年来，各国加强了空间探索科学的部署力度，诸如欧洲太空总署的赫歇尔(Herschel)太空望远镜，位于智利的大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)望远镜，位于中国贵州的500米口径球面射电望远镜(FAST)，上海天文台天马(65米口径)望远镜，新疆天文台QTT(110米口径)全向可动射电望远镜，以及中国作为成员国之一的平方千米阵(SKA)巨型射电望远镜阵等等，其重要任务之一就是探索早期宇宙的星系形成与演化，恒星形成及其与星际介质的交互作用，研究包括恒星、行星及其卫星等太阳系内天体表面和大气层的化学成分。大规模望远镜及其庞大观测数据爆发式增长的同时，与之相关的分子光谱与分子动力学实验发展却相对薄弱，导致天文观测与天体建模缺乏相应的数据输入。本项研究通过原子分子物理方法制备窄速度分布的超声原子或分子束，观察其与简单碳氢分子在单分子碰撞条件下的分子动力学反应，结合高精度的电子结构计算和天体化学建模，不仅揭示了AGB恒星拱星包层中c-SiC3等含硅分子的中性-中性反应机理之谜，更为天文观测与建模中一系列特殊结构分子的反应动力学研究提供了独特新颖的思路。
实验中，课题组通过YAG激光消融硅棒制备Si(3P)原子束，以及通过ArF准分子激光解离Si2H6分子制备Si(3P)、Si(1D)和SiH(X2Π)三种原子或分子束，相应的量子态由激光诱导荧光光谱标定；之后脉冲原子/分子束通过机械斩束生成速度分布仅为20m/s的束源，并进一步与丙二烯(CH2CCH2)或丙炔(CH3CCH)在4K温度下的铜壁内进行单分子碰撞，生成的中性分子产物由可旋转的超高真空(<10^-11 torr)Daly-type探测器电离捕获。我们首先发现，Si(3P)与CH2CCH2或CH3CCH在碰撞能量30 kJ mol^-1的条件下无法反应，而SiH(X2Π)和Si(1D)与这两个碳氢分子的反应动力学也截然不同。通过这种精确控制气相分子动力学方法，可以抽取出Si(1D)与CH2CCH2或CH3CCH在实验坐标下的角度分辨信号分布以及飞行时间谱，再通过坐标体系变换生成平动能量分布与分子质心角度分布，最后获得反应能与势垒、最终中间态分子结构等重要信息。再经进一步分析比较了H，H2与CH3等解离通道以及氘代分子参与下的分子动力学，最终发现H2解离为最主要的反应通道。
激光消融下的单分子交叉分子束碰撞(左)与Daly-type探测器探测分子示意图(右)
理论上我们通过ωB97X-V密度泛函与cc-pVTZ基组对反应物、中间态、和最终产物的结构进行了几何优化和频率计算。对过渡态的搜索，我们使用freezing string方法生成一个初始态结构与Hessian矩阵，之后使用P-RFOeigenvector following方法对过渡态结构进行优化，最后通过频率计算确认最终的过渡态，这些计算都是在ωB97X-V/cc-pVTZ的理论水平上进行的。为进一步提高相对能量与反应势垒的计算精度，我们结合CCSD(T)/cc-pVTZ与RI-MP2方法，并进行了完备基组(CBS)极限值的模型化学精确计算方法对能量极小点和过渡态进行单点能的计算，以达到接近于CCSD(T)/CBS的计算精度(3-4 kJ mol-1)。再结合RRKM计算结果甄别出H2C=C=C=Si与c-SiCH=C=CH等主要分子产物通道，以及在Lyman-α光子作用下生成c-SiC3(X1A1)等的光解通道。最终，我们使用天体化学模型以及UDfA数据库发现c-SiC3分子及其同分异构体在以上新机理作用下的柱密度有显著的提高，修正了AGB恒星拱星包层中SiC3、SiC4等分子观测与建模不符的结论。
富碳AGB恒星拱星包层结构示意图
精密光谱科学与技术国家重点实验室杨涛研究员
这项工作提出了一种新颖的结合原子分子物理与反应动力学方法研究小分子在富碳恒星天体环境中的分子动力学机制，为进一步的天体观测与建模提供了基础科学参考，是一次物理、化学与天文学交叉研究的初步尝试，得到中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。
成果链接:https://www.pnas.org/content/early/2019/06/25/1810370116
图｜李振东 文、来源｜精密光谱科学与技术国家重点实验室 编辑｜王睿珺 编审｜郭文君
