近日，中國科學院大連化學物理研究所分子反應動力學國家重點實驗室張東輝院士團隊揭示了造成OH + HCl H2O + Cl反應低溫強非Arrhenius行為的共振誘導量子隧穿的本質機理。
在經典圖像中，一個化學反應只有在碰撞能量高于勢壘的情況下才會發生，反應速率對溫度的依賴關系遵循Arrhenius公式。而在量子圖像中，化學反應可以通過量子隧穿在低于反應勢壘的能量下發生，導致反應速率在低溫偏離Arrhenius行為。
OH + HCl H2O + Cl反應因為釋放氯原子，能催化平流層中的臭氧破壞反應，是南極洲臭氧空洞形成的原因，所以在大氣化學中非常重要。實驗測量的這個反應的速率常數在低溫區域大大偏離了Arrhenius極限，并且在250K以下反應速率基本與溫度無關。另外，實驗還發現這個反應具有較大的H/D動力學同位素效應。所有這些現象都說明反應中存在重要的量子隧穿效應，然而造成量子隧穿的本質機理還是未知的。
大連化物所揭示OH + HCl反應中量子隧穿的本質
本工作中，張東輝團隊在新構建的精確基本不變量神經網絡（FI-NN）勢能面上對這個反應進行了詳盡的含時量子波包計算，得到的熱速率常數和實驗結果吻合的很好。團隊通過對散射波函數的分析發現，由于OH和HCl之間較強的氫鍵相互作用，OH + HCl反應在入口通道的彎曲/扭轉激發振動絕熱勢阱中存在許多Feshbach共振態。這些共振態極大地誘導了氫原子通過反應勢壘的量子隧穿效應，增強了低碰撞能區域的反應性，使得反應速率在低溫表現出實驗觀察到的偏離Arrhenius行為。
過去十幾年中，張東輝團隊致力于探測化學反應中的共振，通過與實驗的密切合作，他們在F+H2/HD/H2O/HOD反應中揭示了捕獲在勢壘之后區域HF振動激發絕熱勢阱中的Feshbach共振。而OH+HCl反應是第一次在入口區域發現Feshbach共振，這與之前研究過的其他大氣過程都不相同。
相關研究成果以“Strong Non-Arrhenius Behavior at Low Temperatures in the OH + HCl H2O + Cl Reaction Due to Resonance Induced Quantum Tunneling” 為題，于近日發表在《化學科學》（Chemical Science）上。該工作的共同第一作者是大連化物所副研究員徐昕和中國科學院福建物質結構研究所研究員陳俊。英國皇家化學會化學世界網站（Chemistry World）以“Quantum Tunnelling Enhances Ozone Decay”為題對該工作進行了亮點報道。該工作得到了國家自然科學基金的支持。
