化學反應，速度與激情——楊學明院士談化學反應動力學 | 錨點

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INTERVIEW

化學，變化之學，研究化學反應速度的學科就是化學反應動力學。近年來，隨著理論計算與實驗裝置的進步，中國在化學反應動力學的若干領域已經開始領先世界。在這一進程中，中國科學院院士楊學明是核心人物之一。

楊學明院士在基元化學反應動力學研究領域——尤其是化學反應共振態、化學反應中的幾何相位效應以及量子干涉等方面的研究——取得了重大突破。他從博士后時期就開始做儀器，現在已經開發了好幾套新一代高分辨率和高靈敏度的交叉分子束科學儀器。此外，他還在不斷推動我國的大科學裝置建設，包括大連相干光源、大連先進光源和深圳中能X射線自由電子激光裝置。他強調：“你要做得比別人好，就要有比別人好的技術、比別人好的儀器。通過這些技術的發展，我們才能做一些別人做不到的實驗研究?！?/p>

那么，中國的科學儀器與大科學裝置，如何突破封鎖，引領世界？楊學明院士有自己獨到的見解。

楊學明

中國科學院院士

中國科學院大連化學物理研究所研究員

Q：您主要研究的領域叫化學反應動力學，這個領域在探索什么？

A：

所謂化學反應動力學，重在研究化學反應的過程，它探究的是化學反應的機理和速度。

比如說，有些化學反應需要升溫（會使反應速度加快）——在動力學里面就是增加能量，那增加的是分子的平動能量還是分子的振動能量？這就是化學反應動力學研究的問題。

這個領域探索的是化學反應的底層邏輯，需要解決的是化學反應是怎么發生的、它的機理是什么、它為什么會是這樣的等問題。

Q：我平時會給人舉氫氣和氧氣反應生成水的例子。這看起來是個非常簡單的反應，但是它可以非?？?，也可以非常慢。如果遇到明火，瞬間就會發生爆炸，然而，若只是將氫氣與氧氣在常溫常壓下混合在一起，它們或許好幾年都不會發生反應。

A：

這雖然是非常簡單的一個燃燒反應，但其反應體系涉及二十多個基元反應（此類反應被認為是一步完成而且只經歷一個過渡態），經過這些基元反應才能達到最后的效果。

Q：一般人可能沒有想到，一個看起來很簡單的反應其實是由很多個基元反應組成的。

A：

所以，我們做化學反應動力學的人往往更關注基元反應，我們需要把它研究得非常透徹。

Q：很多人可能并不知道我們為什么要去研究化學反應動力學。這對日常生活有什么實際影響嗎？

A：

影響還是非常多的。例如，就爆炸這一典型的鏈式反應而言，如果我們能從分子層面或者說化學反應動力學角度來理解這件事情，就能更好地控制這個過程。

動力學在化學領域無處不在。要研究化學反應，理解它的機理，底層的邏輯就是真正從量子力學層面來理解這些化學反應。

Q：在您的研究中還有一個詞可能會讓人覺得很迷惑，就是“量子態分辨”，這個怎么理解？

A：

普通人可能只關心化學反應的最終結果，即什么加什么最終生成了什么，但從本質上看，化學反應其實是由量子力學描述的，各種分子會有不同的量子態，不同量子態的分子會產生不同的行為。

早在二十世紀六七十年代，就有學者嘗試用完全量子力學的方法（即對原子核與電子都用量子力學來處理）來研究化學反應。

其中，最簡單的就是氫加氫的反應（H+H2?H2+H），其反應物跟產物看起來好像是一回事。所以，很多化學家就問：這反應了嗎？事實上，反應確實發生了。這個過程雖然簡單，卻揭示了一些非?；镜脑?，只是就當時而言，那些直接在理論上提出來的觀點和概念，仍缺乏直接的實驗驗證。

后來，隨著實驗技術的進步，以氟加氫反應為代表的研究取得了一些非常突出的成果。

大家最開始看到的是，氟原子與氫分子反應時，在振動量子數v = 3的氟化氫產物通道上出現了前向散射的現象，以為那是共振導致的——后來證明這主要是由于反應產物在“翻越”振動絕熱勢能面上的離心勢壘時所產生的時間延遲效應引起的。

大家還觀察到，在氟加氫反應中，振動量子數v = 2時也存在前向散射現象——這個則是由反應共振態直接導致的?！肮舱駪B”這個概念最初被提出來時，科學家并不理解這種態是一種怎樣的量子結構。

自二十世紀八九十年代開始，量子研究的實驗水平和理論水平均得到了大幅提升，使得我們真正可以從非常基本的角度、從量子力學的層面來理解一些非常重要的化學反應。我當時也開始對過渡態、共振態這些內容感興趣了，因為一些新的機會——特別是一些新的方法——開始出現。

利用這些方法研發新的科學儀器，讓開展真正意義上的量子動力學研究成為可能。事實證明，經過這二三十年的積累，現在我們已經有了一些非常清晰的“圖像”了，比如對“共振態”概念的理解。

Q：您在這個領域最重要的研究成果有哪些？

A：

我們對氟加氫反應體系里物理圖像的理解還是比較到位的，雖然理論學家也做了很多研究，但從實驗層面來說，我們在這個方向上肯定是做得最好的。

而且，我們通過實驗檢測得出的結果與張東輝院士（主要從事化學反應動力學理論研究）團隊基于理論計算得到的結果高度一致。關鍵是，兩個團隊完全是背靠背做的研究。

2006 年，在氟加氫反應研究中，楊學明團隊和張東輝團隊分別通過實驗檢測和理論計算精確重現了反應散射量子態分辨的微分截面，得到的圖像具有驚人的一致性，實現了實驗和理論的雙向奔赴。

Q：相當于您這邊給出的是實驗圖，張東輝院士團隊給出的是理論圖。

A：

對。理論上通過量子計算得出的結果應當與實驗中最精確的測量結果相符。近一二十年來，這種理論上的進步和實驗檢測的發展還是非?？斓?，也讓化學反應研究邁向了量子級。

Q：您最近有哪些新的研究方向？

A：

最近，我們做了很多光化學研究，如分子在高激發態下的光化學反應研究，其中，“漫游機理”是一個頗具趣味性的研究方向。

傳統的化學反應過渡態理論認為，反應大多遵循最小能量路徑推進，反應物經由一個明確的過渡態直接轉化為產物。然而，在某些化學反應中，一個原子或者基團可能并不沿最小能量路徑直接解離，而是會在分子附近漫游，最終形成不同的產物。漫游機理所呈現的產物末態分布，與傳統最小能量路徑下呈現的截然不同。

Q：“漫游”實際上是對過渡態理論的一種超越。它在實驗上會有什么可分辨的表現嗎？

A：

在觀測一個三原子反應體系時，我發現其中有一個原子會跑得很遠，然后再回來，這樣就會產生一些新的反應通道。與傳統反應通道相比，這些反應通道的特性會有所不同?；谶@個過程，我們就可以知道哪些通道是因漫游機理產生的。

楊學明團隊利用大連相干光源觀測到二氧化硫分子在高激發態下的漫游反應通道，揭示了漫游路徑與傳統路徑的競爭機制，為星際化學、燃燒反應等提供了新的調控維度，將化學反應動力學推進至“全路徑觀測”時代。

此外，他還發展了高分辨的交叉分子束反應成像技術，首次在實驗上觀測到化學反應中的幾何相位效應，并在2022 年獲得了未來科學大獎物質科學獎。

美國化學會《物理化學雜志》（The Journal of Physical Chemistry）A、C 兩刊在2024 年更是聯合推出楊學明特刊，表彰楊學明院士在激光光譜技術、量子態分辨反應動力學等領域的開創性貢獻，稱其研究“標志著該領域的一個新時代”。

Q：您做科研的一個重要方法論就是要自主研發儀器。是怎么走上這條道路的呢？

A：

我們如果在科學儀器上落后于別人，在科學上基本也會落后于別人。

我很早就認識到科學儀器的重要性，尤其是在實驗科學領域。我在加州大學伯克利分校從事研究期間，了解到勞倫斯伯克利國家實驗室有一項利用同步輻射光源來研究化學反應動力學的計劃，并經過申請得到了這個機會，負責研制一臺復雜的交叉分子束儀器。

在接下來兩年多的時間里，我從設計開始，一步一步往下做，最終研制出這臺儀器。在此期間，我發現自己特別喜歡做這件事情，它好像“戳中”了我原始的愛好。當然，這個過程對我來說也是一次非常好的訓練，不僅讓我對光源有了深刻的理解，也提升了我研制儀器的能力。

我們實驗室最大的特色就是用的實驗設備都是自己研制的，因為我們要做的研究所需的設備往往是買不到的，包括激光器。這背后主要有兩方面原因：一是某些特殊類型的激光器在市場上確實難以獲取，二是部分國外激光器對我們是禁售的。我始終認為，要研究何種體系，首先得把相關設備做好。

Q：這么看來，您的團隊既做化學反應動力學的研究，也做開發儀器的研究。您主持建造的大連相干光源是什么裝置？

A：

大連相干光源是一臺自由電子激光用戶裝置，具備探測、激發功能，應用范圍廣泛。它可以用來探測霧霾粒子，也可以用來做水的中性團簇結構研究，還可以用來做大分子的光解離質譜，即通過光解離質譜技術，解析蛋白質等生物大分子的結構及其與小分子的相互作用。

最近，這個方法好像也被用來研究藥物分子和蛋白質的相互作用，或可用于藥物研發的一些方向。

Q：在建的大連先進光源據說是大連相干光源的升級版，為什么要升級呢？

A：

因為大連相干光源用的是常溫加速器技術，它每秒鐘能加速的電子束團是受限制的（大概只能做到100個束團，也就是100赫茲左右），而且由于不是超導的，能耗較高。為突破這一限制，我們自2016年起開始推進超導加速器的自由電子激光方向。大連先進光源這個項目和深圳的那個項目都是在此基礎上發展起來的。

Q：深圳那個項目指的就是您正在主持打造的“中能X射線自由電子激光”裝置，對吧？

A：

是的，該裝置是一臺基于超導加速器技術的自由電子激光裝置。我們的目標是將其打造為覆蓋極紫外與軟X射線波段的激光裝置，尤其是軟X射線波段。其波段的波長范圍介于大連先進光源與上海硬X射線自由電子激光裝置之間——比前者更“硬”，卻比后者稍“軟”，恰好占據了兩者之間的中間位置，故命名為“中能”。之所以選擇這個波段，是因為其在物理、化學、材料科學及半導體等領域均有廣泛應用，在生物醫藥領域可能也有一些應用場景。

Q：很多關心國家科學發展的人可能注意到，近些年國內打造了很多光源裝置。

A：

其實不算多。目前，我國在同步輻射光源領域以北京、上海、合肥三地的大科學裝置為主要支柱。在自由電子激光方面，已布局了包括大連（極紫外與軟X射線波段）、上海（硬X射線波段）以及深圳（中能X射線波段）在內的多個裝置，這幾個全面建成后，我認為我們至少達到了跟美國同樣的水平，甚至有可能稱得上是更完整的布局。

然而，在同步輻射光源方面，我國與國際領先水平仍存在一定差距，亟須持續加強發展。需要強調的是，實驗科學的進步既依托于各實驗室自主技術的突破，也離不開國家層面大科學裝置平臺的支撐。這類大科學裝置的創新突破既是推動實驗技術進步的一個重要方面，也是搶占技術高地的戰略核心。物理學、化學、生物學等學科的發展都繞不開它。

Q：關于我們共同的導師朱清時院士，一般人只知道他是個教育家，做過中國科學技術大學校長、南方科技大學創校校長，但大部分公眾可能并不了解他在科研上也成就頗多。今年（2025年）正好是朱老師的79歲壽辰，借這個機會，請您向公眾介紹一下朱老師在科研上的貢獻。

A：

朱老師是國際知名的光譜學家，他最具代表性的工作就是局域模光譜研究。他曾利用高分辨率的光譜方法來研究硅烷分子的光譜——這項工作在國際上獲得了高度認可，其成果堪稱教科書級別。我有幸在朱老師的指導下系統學習了小分子光譜學，這也為我后來從事化學反應動力學研究開辟了獨特的視角。

Q：您覺得在化學反應動力學領域，下一個亟待攻克的核心問題，或者說下一個錨點，是什么？

A：

精準化學。在我看來，化學發展的一個趨勢就是，無論是實驗上還是理論上，我們都可以做到更精準化。

袁嵐峰

《錨點》科學對談人

-本文刊載于《世界科學》雜志2026年第4期“錨點”專欄，該專欄由《世界科學》編輯部和東方衛視《錨點》節目組聯合開發；《錨點》系列節目由中國科學技術大學科技傳播系副主任袁嵐峰研究員主持-

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