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诞生在科学的春天 ——分子反应动力学实验室的四十年

王秀岩

2017 年元旦后不久,喜讯传来,分子反应动力学实验室杨学明院士主持的“大连光源”1 月15 日发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲,成为世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。我听到这个消息感到无比的兴奋,因为大连光源诞生在我工作一生的分子反应动力学国家重点实验室,标志着这个实验室又登上了一个新的高度。正如时任中国科学院副院长王恩哥所说,这是中国科学院乃至我国又一项具有极高显示度的重大科技成果,装置中90%的仪器设备均由我国自主研发,标志着我国在这一领域占据了世界领先地位,将大大促进我国在能源、光学、物理、生物、材料、大气雾霾、光刻等多个重要领域研究水平的提升。更让化物所人骄傲的是,从事化学研究的科学家主持建造如此大型的科学装置还是第一次。作为老一代的科学工作者,我非常赞赏这些年轻科学家敢于创新、敢于攀登科学高峰的精神!同时也为这个实验室经历40 年发展,达到国际一流水平感到自豪。

谈起分子反应动力学实验室的诞生,还得从1964年化学激光被发现时说起,当时我所老科学家楼南泉、张存浩、陶愉生等敏锐地意识到激光技术也会给物理化学带向新的时代。陶愉生先生领导的小组首先在我所探索化学激光,1966年成功地实现氯化氢化学激光。化学激光建立在原子分子激发态的生成、分子间能量传递、激发态受激发射等理论基础之上,要在激光方面有创新,必须开展分子反应动力学研究。“文化大革命”前他们便提出了开展微观反应动力学研究的规划,然而“文化大革命”的十年,三位老科学家被迫离开了科学研究的岗位,他们的分子动力学的研究规划成为泡影。这期间,美国和欧洲一些发达国家的科学家们已经将分子束、计算机、激光、高灵敏度探测和超高真空技术用于研究反应微观过程。我国已经被远远抛在后面,在大量的学术论文中找不到中国人身影,我国的科研人员既心急如焚又无可奈何。1976年“四人帮”被粉碎后,中国的科学工作者重返科学研究一线,楼南泉教授等几位老科学家的中国分子反应动力学梦想终于变成了现实,在中国科学院召开的科学发展规划会议上得到了方毅院长和其他领导的支持。1978年初我国第一个“微观反应动力学研究的实验室”在大连诞生。

记得实验室刚刚成立时确立的目标是:填补我国分子反应动力学基础研究的空白和赶上国际水平。大家开玩笑地用“十几个人,七八条枪”来形容刚组建的新实验室,前十年,实验室面积很有限,我们5 个人聚在一个16 平方米的办公室,还有一些人没有办公桌。对分子反应动力学实验研究的核心技术分子束从来没有见过,更没有激光器了,仅有一两台分辨率很低的老式示波器。1983年,为了记录化学发光光谱,我还用着玻璃感光板。由于“文化大革命”期间没有人敢搞“脱离实际”的科学研究,我们甚至连量子力学的基础知识,如势能面、分子反应的非绝热过程等等基础知识都已经生疏。

面对一穷二白的落后状况,摆脱精神枷锁的我们满腔热情地投入到创业过程。国内找不到一本有关微观动力学的书,大家边看文献边讨论。实验技术和设备落后,经费严重不足,就自己设计建造热管炉反应器,用旧镀膜机改造成的第一台分子束反应装置,开始了艰苦的创业过程。

国家的改革开放为我们提供了向国际先进学习和学术交流的机会。1979年,楼南泉和曾宪康参加在意大利召开的国际分子束会议,这是中国科学家第一次参加国际分子束大会。以后的几年又派出十多名科研人员去美国和欧洲,科研队伍得到了快速的成长。何国钟教授在美国加州大学全面掌握了分子束实验技术,回国后就组织了交叉分子束大型实验装置的研制。经过十年的努力和国际交流,实验室培养了一批能设计科学仪器装置的人才,带动我国的分子反应动力学研究从无到有,并成为国际该学科大家庭中的一员。1986年,实验室创业期间取得的研究成果获得了国家自然科学奖二等奖。

1987 年,国家正式批准建设分子反应动力学国家重点实验室,筹建领导小组,组长为楼南泉先生。从“微观反应动力学实验室”到“分子反应动力学国家重点实验室”,我们进入了科研国家队的行列。经过前十年的人员培养和知识积累,进入了快速发展阶段,明确了要创建在国际上占有一席之地的分子反应动力学实验室。沙国河小组很快在分子碰撞传能研究上发现了量子干涉现象,并在国际上产生重要影响,被国际著名的戈登(Gordon)会议确定为中心议题,张存浩院士到会作特邀报告。该成果同时被选为2000年中国十大科技进展新闻。该团队的“双共振电离法研究激发态分子光谱和态分辨碰撞传能”获得了1999年国家自然科学奖二等奖。

进入21 世纪,年轻的科学家杨学明回到这个实验室,发展了高灵敏度的“氢原子里德堡态飞行时间探测技术”,分子动力学的实验研究进入新的高度。他积极与量子化学理论科学家张东辉合作,首次在实验中观测到了氟原子与氢分子反应共振现象,并被张东辉等人提出的理论模型所证实,解决了国际上30 多年来化学研究中一个悬而未决的难题,这一成果发表在当年《科学》杂志上,并入选“2006年中国十大科技进展新闻”。2007年,他们在氟原子与氘分子反应中发现,在低碰撞能下激发态氟的反应性居然比基态氟高出很多,说明玻恩-奥本海默图像在这个反应中完全失效,精确的理论计算有力地支持这一重要的实验结果,这项具有重大学术意义的研究结果发表在当年《科学》杂志上,又一次入选“2007年中国十大科技进展新闻”。正是这个团队的雄心壮志、执着探索,被化学家认为最难观测的反应过渡态有了新的重要发现,进入当时过渡态研究的最高水平。研究成果获得了2008国家自然科学奖二等奖。这个实验室从2006年以后,连续十多年,科研成果发表在《科学》(Science)或《自然》(Nature)上,为化学反应动力学的学科发展做出了重要贡献。近年来,态-态分子反应动力学研究获得2014年国家自然科学奖二等奖,这个实验室的缔造者之一张存浩获得2013年度国家最高科学技术奖。

今天当你走进分子反应动力学国家重点实验室,展现在眼前的是坐落在所区的大连相干光源的实验大楼,现代化的实验装置和仪器,朝气蓬勃的研究团队,一篇又一篇高水平的论文成果,成为名副其实的国际一流的科学研究基地,每年都有国内外同行们慕名来这里进行合作研究与学术交流。这个诞生在科学春天的实验室已经开放出绚丽的花朵,人们正期待他结出更丰硕的果实奉献给国家。

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