离子与分子之间碰撞引发的电荷转移及伴随的转动传能过程广泛存在于星际介质、行星大气、等离子体等复杂的气相环境中。从分子层面对电荷转移和转动传能的动力学机理进行研究，对理解上述气相环境的物理化学性质及其演化规律具有重要科学意义。

在国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国科学院和北京分子科学国家研究中心的支持下，分子反应动力学实验室高蕻课题组自主研制并搭建了一套量子态选择的离子-分子交叉束装置（Rev. Sci. Instrum., 2021, 92, 113302; Chin. J. Chem. Phys., 2021, 34, 71.），可以对离子-分子反应开展“态-态”分辨的动力学研究。

在先前的研究工作中，该研究团队揭示了自旋-轨道态选择的电荷转移反应Ar+(2P3/2) + N2 → Ar + N2+(v′, N′)在前向散射区域的反应机理，首次发现硬碰撞辉散射机理在该电荷转移反应中扮演了重要的角色（Nat. Chem., 2023, 15, 1255）。最近，他们通过改进实验装置、优化离子源产生方式，进一步降低了离子束源的动能展宽，获得了目前为止分辨率最高的产物散射图像，并首次在产物的后向散射区域观察到明显的双环结构（图a），表明产物在后向的转动激发呈现双峰分布（图b），即双转动虹现象。这一现象有悖于传统的转动传能理论的预测，其通常认为双转动虹只出现于异核双原子分子的碰撞传能过程。

中国科学院力学研究所的卢丹丹副研究员和美国新墨西哥大学的郭华教授对该反应体系开展了全维度轨线面跳跃（trajectory surface hopping）计算，计算结果与实验观测定性一致，表明该体系的双转动虹现象是由立体动力学效应控制的非绝热电荷转移过程产生的。由于电荷转移过程的各向异性（图c），垂直碰撞（γ = 90°）和共线碰撞（γ = 0°或180°）使体系在近距离时分别处于Ar+ + N2和Ar + N2+两个不同的电荷转移态，二者具有截然不同的短程各向异性相互作用势（图d和图e），这使得它们经历完全不同的转动传能过程，并最终导致产物离子在后向散射区域呈现转动激发的双峰分布（双转动虹）。该研究揭示了立体动力学调控的非绝热效应在离子-分子电荷转移和转动传能过程中的重要作用。

相关研究成果以“Double Rotational Rainbows in Collisions of Homonuclear Diatoms Stemming from Steric Charge Transfer”为题，发表于Journal of the American Chemical Society上（DOI: 10.1021/jacs.6c05560）, 文章的共同第一作者是化学研究所博士生王汉尧、力学研究所卢丹丹副研究员和化学研究所程敏副研究员，通讯作者是化学研究所高蕻研究员和力学研究所卢丹丹副研究员。

电荷转移反应Ar+(2P3/2) + N2 → Ar + N2+(v′, N′)中的双转动虹现象

北京分子科学国家研究中心分子反应动力学实验室

2026年6月16日