基于极紫外自由电子激光的中性团簇红外光谱研究

Atomic and molecular clusters play important roles in various processes such as energy and environment. Therefore, the study of structure and dynamics of clusters is an important research topic in these research fields. In contrast with the extensive investigations of ionic clusters, much less work has been carried out for the neutral clusters. Its bottleneck is mainly due to the lack of appropriate vacuum ultraviolet (VUV) light source. Generated by four-wave mixing method, available wavelength range of VUV laser is limited, and peak power is very low, which limit the ionization efficiency and high sensitivity of the detection for various neutral clusters. In combination with tunable infrared lasers, pulsed vacuum ultraviolet free electron laser (VUV-FEL) ionization provides a useful scheme to study small and large neutral clusters. Both vibrational spectroscopy and dynamics of neutral atmospheric clusters can be investigated by using the Dalian VUV-FEL light source. Such studies will be important to understand many critical processes involving neutral clusters.

在许多与能源和环境相关的化学过程中，团簇化学起着非常重要的作用。目前，离子团簇研究居多，而中性团簇研究甚少，其瓶颈主要在于缺乏合适的紫外光源。现有的实验室紫外激光的波长调谐范围有限，只能电离一些特定的团簇，无法满足绝大多数中性团簇的电离需求，极大的限制了这一方向的研究能力。大连极紫外自由电子激光光源的波长可调谐范围是50-150 nm，其峰值功率比四波混频产生的紫外激光至少高五个数量级，并且具有皮秒和飞秒脉宽的超快时间结构，可以有效地实现单光子软电离，减少碎片，提高电离效率，非常适合于分子和团簇的高灵敏度和高时间分辨的探测和研究。本项目拟充分利用大连极紫外自由电子激光的优越特性，与红外激光相结合，重点研究与大气雾霾相关的中性团簇，测量常规实验方法难以得到的中性团簇红外振动光谱以及动力学信息，解析大气化学中性团簇的精细结构，揭示团簇的结构生长规律，帮助人们更深刻理解气溶胶成核动力学过程。

从分子形成大气团簇是气溶胶成核的关键步骤，精确测量大气团簇的结构和气溶胶的化学组成及动态变化对理解雾霾的形成机理具有指导意义。然而，气溶胶形成过程中涉及的大气团簇，数量密度低、反应活性大、寿命短、几何和电子结构复杂，对它们的实验研究非常困难，往往需要高灵敏、高时间分辨以及对结构敏感的谱学等探测方法。红外光谱是结构表征与性能研究的最有效方法之一。由于离子型团簇比较容易制备和质量选择，相关研究最为广泛。中性团簇由于缺乏电荷、难于探测而实验研究甚少。. 鉴于上述情况，本项目发展了高灵敏度和高分辨率的中性团簇红外光谱实验方法，实现了质量选择中性团簇的高灵敏探测、结构表征和性能研究。利用自主研制的中性团簇红外光谱实验装置，测定了一系列中性大气团簇的红外光谱，发现了最小水滴是由五个水分子组成的水团簇，揭示了最小冰立方的多个新的结构，为揭开冰的微观结构和形成机制（尤其是速冻）提供了新的思路。发表SCI论文25篇，包括1篇PNAS，1篇Nat. Commun.，3篇J. Phys. Chem. Lett.。