在6.9kcal/mol碰撞能下HD + OH  H2O + D微分反應截面的實驗(A)和理論(B)結果比較

化學反應微分截面的實驗測量能夠最細致地反映一個化學反應的本質特征，而通過求解在勢能面上運動的原子核的薛定諤方程來得到基元化學反應的微分截面則是量子動力學理論計算的終極目標。在過去的幾十年間，經過包括中科院大連化學物理研究所楊學明、張東輝等研究組在內的科學家們的不懈努力，人們已經基本解決了三原子化學體系的量子動力學難題，能夠定量地計算三原子體系的微分散射截面。然而，從三原子體系發展到更多更復雜的反應體系，則是一個巨大的挑戰。作為向前發展第一步的四原子體系相對于三原子體系，體系的自由度從3增加到6，這意味著無論是勢能面的構造還是散射動力學的計算，從難度到計算量都有巨大的增加。譬如，對于勢能面的計算，如果每個維度計算100個位點，那么四原子體系的6個自由度相對于三原子體系的3個自由度，所需計算的位點數量就增加了一百萬倍！而每個位點的能量計算、勢能面的擬合等的難度和計算量都因為原子核和電子數量增加而急劇增大，由此可知量子動力學理論計算從3原子體系發展到4原子體系，困難之大超乎想像。

H₂ + OH H₂O + H反應體系是四原子反應體系的基本范例，是燃燒化學和星際化學中的重要反應，其逆反應則是選?；瘜W的研究樣板。在過去的幾年間，大連化物所楊學明、張東輝研究組對該反應的同位素替代反應HD + OH H₂O + D進行了反應動力學研究。理論上，他們發展出一套非常有效的含時波包方法，能夠對六個自由度的四原子反應進行精確的計算，同時用更精確的方法構造了該反應體系的勢能面，從而完成了該體系的第一個全維量子態分辨的動力學計算。實驗上，他們采用高分辨的交叉分子束—里德堡氘原子飛行時間譜方法測量了HD + OH  H₂O + D在不同反應能下的微分截面及其隨碰撞能的變化關系。實驗結果和理論計算結果高度吻合。

這是首次對一個四原子反應體系的態-態微分截面取得理論和實驗高度吻合的研究結果，是分子反應動力學研究的一個重要突破，也意味著中科院大連化物所在分子反應動力學領域繼續牢固地占據著國際領先地位。

該項研究得到了科技部和國家自然科學基金委的資助，研究成果發表在2011年7月22日出版的美國《科學》期刊上（Science 333，440(2011)）。