De höga pelarna och runda kulorna av mörkt damm och kall molekylär gas i stjärnmoln Kredit:T. A. Rector &B. A. Wolpa, NOAO, AURA
Forskare från Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) vid den kinesiska vetenskapsakademin och deras medarbetare undersökte mekanismen för snabb reaktivitet hos F + H 2 reaktion vid låg temperatur och fann att snabb reaktivitet faktiskt inducerades av resonansförstärkt tunnling.
Detta fynd förklarar observationen av HF i interstellära moln, som genereras endast genom F + H 2 reaktion. Forskningen publicerades i Naturkemi .
Rent generellt, en kemisk reaktion med en energibarriär kan bara ske vid kollisionsenergier högre än barriären. Dock, kvanttunnelering vid energier under reaktionsbarriären spelar en betydande roll i många kemiska processer, speciellt vid låg temperatur.
Kemisk reaktion spelar en viktig roll i utvecklingen av interstellära moln. I det interstellära rymden, temperaturen är särskilt låg, sålunda kan kvanteffekter i reaktioner spela en betydande roll.
HF i interstellära moln upptäcktes först 1997, och nya observationer har funnit att HF är allestädes närvarande i universum. Eftersom F + H 2 reaktion, med en energibarriär på 1,8 kcal/mol, är den enda källan till observerad HF vid låg temperatur i interstellära moln, hur går det fort? Även med tanke på normal kvanttunnel, reaktionshastigheten är för låg för att observeras med en reaktionsbarriär av sådan höjd (~800K).
Vågfunktionen för jordresonanstillståndet för F + H2-reaktionen. Kredit:DICP
Med förbättrad molekylär korsad strålapparat, forskarna mätte den kvanttillståndsspecifika bakåtspridningsspektroskopin (QSSBSS) som en funktion av kollisionsenergi i intervallet 1 ~ 35 meV. En topp i QSSBSS observerades tydligt vid cirka 5 meV. Genom att använda detaljerad dynamikanalys på exakta potentiella energiytor (PES), de fann att toppen producerades av markresonanstillståndet för F + H 2 till HF + H-reaktion. De upptäckte också att oscillationerna vid cirka 20 meV producerades av det första exciterade resonanstillståndet för F + H 2 reaktion.
Ytterligare teoretisk analys visade att om bidraget från den resonansförstärkta tunnlingen togs bort från reaktiviteten, reaktionshastighetskonstanten för F + H 2 under 10K skulle reduceras mer än tre storleksordningar.
Den kvanttillståndsspecifika bakåtspridningsspektroskopin (QSSBSS) som en funktion av kollisionsenergi och det högupplösta anjonfotoelektronspektrumet för FH2- mätt med kryo-SEVI-tekniken. Kredit:DICP
Således, reaktiviteten hos F + H 2 reaktionen är nästan helt härledd från resonansförstärkt tunnling från markresonanstillståndet. Med en exakt PES, teorin ger reaktionshastighetskonstanten för F + H 2 reaktion över ett brett temperaturområde, vilket är viktigt för att förstå interstellär kemi.
