碰撞電荷轉移反應廣泛存在于星際介質、行星大氣、等離子體等復雜氣相環境中。從分子層面探究電荷轉移反應的機理對剖析這些復雜氣相環境的物質演化和能量傳遞過程有重要作用。Ar++N2→Ar+N2+是經典的電荷轉移體系，受到廣泛的實驗和理論研究。然而，不同研究之間無法相互吻合，存在爭議。這主要是由于以往實驗產物探測分辨率相對較低，反應物離子束同時含有基態Ar+(2P3/2)和激發態Ar+(2P1/2)，實驗中難以區分不同自旋-軌道態的Ar+離子對反應產物的貢獻。
 

　　中國科學院化學研究所分子反應動力學實驗室高蕻課題組自主設計搭建了一套量子態選擇的離子-分子交叉束裝置，其能量分辨率達到國際領先水平。研究通過共振增強多光子電離方法制備處于特定自旋-軌道態的Ar+(2P3/2)離子束。實驗首次精確地測量了產物N2+離子的振動和轉動態分布及其與散射角的相關性(圖a、b)。美國新墨西哥大學郭華課題組對該體系開展了全維度trajectory surface hopping計算。計算結果與實驗結果達到半定量吻合的程度，首次揭示了該反應兩種完全不同的電荷轉移機制(圖c、d)。一是經典的由長程相互作用決定的Harpoon電荷轉移機理，主要發生在N2+(v′=1)產物通道，產生的N2+離子集中在前向散射區域且轉動激發較低(圖c)；第二種機理在N2+(v′=2)產物通道中起主導作用，而該通道產物主要分布在前向區域卻具有很高的轉動激發(圖d)，這與經典的硬球碰撞模型不符。理論計算表明，這是由兩個反應物分子的長程吸引勢和短程排斥勢之間的微妙平衡引起的硬碰撞輝散射(Hard collision glory scattering)過程，這是科學家首次在電荷轉移反應中觀測到這種特殊的散射機理。
 

　　相關研究成果發表《自然-化學》(Nature?Chemistry)上。研究工作得到中國科學院、北京市自然科學基金和北京分子科學國家研究中心的支持。該研究由化學所和新墨西哥大學合作完成。
 

　　(a)產物N2+散射圖，(b)理論計算的N2+不同振動能級的轉動量子態分布以及N2+的v′ = 1(c)和v′ = 2(d)振動能級的轉動激發與散射角的相關性圖。