星际空间尘埃介导分子氢2形成机制的从头算动力学研究：揭示星际奥秘的关键

《Communications Chemistry》：Ab-initio dynamic study of mechanisms for dust-mediated molecular hydrogen formation in space

为解决星际分子氢（H2）形成机制不明的问题，研究人员以富勒烯（C60）模拟星际碳质尘埃，开展碰撞动力学研究。结果发现富勒烯在不同温度下对 H 原子的捕获及 H2形成机制，这有助于完善星际 H2形成模型，推动对宇宙结构演化的理解。

　　在浩瀚的宇宙中，星际空间里分子氢（H₂）的含量极为丰富，它在恒星形成区域的气体质量中占据主导地位，对天体物理学意义重大。一方面，它是分子云初始坍缩并形成恒星的关键因素；另一方面，它也参与了星际介质中复杂分子的合成过程。然而，星际云中分子氢的详细形成机制却一直是个未解之谜。在星际空间，低温且低密度的环境使得两个氢原子通过双体碰撞形成分子氢的概率微乎其微，而且氢原子复合反应（H + H → H₂）释放的高复合能与初始动能难以消散，导致新形成的 H₂会迅速重新解离。目前，学界普遍认为星际介质中尘埃颗粒表面的催化反应是 H₂及其他复杂分子形成的重要原因，氢的分子与原子比和金属丰度之间的相关性也为这一观点提供了支持。

为了深入探究星际分子氢的形成机制，澳大利亚悉尼大学（The University of Sydney）的研究人员 Yuzhen Guo 和 David R. McKenzie 开展了相关研究。他们的研究成果发表在《Communications Chemistry》上，为我们理解星际分子氢的形成过程提供了新的视角。

在研究中，研究人员采用了基于 Kohn-Sham 密度泛函方法的从头算分子动力学模拟方案。该方法能够精确描述原子间的相互作用，无需预先假设参与原子的轨道杂化状态，尤其适用于含有混合杂化状态的碳系统。同时，研究人员运用了最大局域化 Wannier 函数来分析捕获 H 原子以及形成 H₂过程中的电子成键情况。

研究结果主要包含以下几个方面：

1. 富勒烯对 H_I的捕获能力：研究人员通过模拟不同温度下 H_I与富勒烯（C₆₀）的碰撞，发现当入射 H_I的温度在 10K - 100K（对应分子云 10 - 20K 和冷中性介质 50 - 100K 的温度范围）时，所有 H_I都会被富勒烯捕获。在 10K 时，即使 H_I最初是物理吸附在富勒烯表面，但最终都会发生化学吸附。具体来说，当 H_I接近富勒烯的碳原子时，C - C 双键会转变为 C - C 单键，释放的能量帮助 H_I克服物理吸附和化学吸附之间的势垒，形成 C - H 键。当 H_I接近富勒烯的环区域时，也会出现类似现象。此外，研究还发现，当 H_I以 5500K 的温度接近富勒烯的碳原子时，富勒烯无法捕获 H_I，但 H_I的初始动能会大幅降低，后续容易被富勒烯捕获；当 H_I以 6000K 的温度接近富勒烯的环区域时，富勒烯仍能捕获 H_I。
2. 分子氢的形成机制：研究人员利用中性氢原子与 C₆₀H₃₆的碰撞来研究分子氢的形成机制。研究发现，在所有入射 H 和 D 的初始温度下，只要碰撞位点不被三个 C - H 键包围，H₂和 HD 都能在碳质颗粒表面高效形成。这表明除了温度，颗粒表面的局部结构也会影响分子氢在颗粒表面的形成效率。同时，研究还证实了 Eley - Rideal（ER）机制在 H₂和 HD 形成过程中的有效性。随着温度升高，富勒烯的笼状结构使其保持稳定，C - H 键的形成保证了氢原子吸附在表面。在 50K 的表面温度下进行的类似模拟也表明，富勒烯表面的相同机制可以解释温暖尘埃表面（20 - 100K）分子氢的形成。
3. 能量事件下分子氢的形成机制：在天文环境中，小颗粒可能会因冲击波和紫外线吸收等机制导致温度突然升高。研究人员以富勒烯（C₆₀H₃₆）为平台，探索了能量事件期间尘埃表面分子氢的形成机制。结果发现，当温度从 10K 突然升高到 3000 - 4000K 时，会发生一种修正后的 ER 机制，即新解吸的氢原子与吸附的氢原子复合形成分子氢，同时还观察到热跳跃导致的 Langmuir - Hinshelwood（LH）机制。当系统温度升高到 4000K 时，C₆₀H₃₆会迅速分解，形成局部氢密集区域，使得氢原子之间的碰撞更加频繁，从而更高效地形成 H₂。
4. 富勒烯对分子氢的选择性吸附：研究人员通过模拟 H₂与富勒烯的碰撞，发现富勒烯能够选择性地吸收单原子氢，阻止分子氢被捕获。在所有温度和入射方向下，分子氢都不会与富勒烯发生反应，这确保了分子氢不会在富勒烯表面分解为原子氢。在富勒烯分解过程中，离开富勒烯的原子氢很容易重新进入尘埃表面，并通过 ER 机制形成分子氢，而形成的分子氢会被排斥。

综上所述，该研究揭示了碳质尘埃表面的动态现象能够解释分子氢在广泛温度范围内的高效形成过程。研究发现，在 10K 的低温下，原子氢在富勒烯表面发生化学吸附，这与之前认为的低温下物理吸附占主导的观点不同。此外，研究还确定了温度和颗粒表面局部结构对分子氢复合效率的显著影响，以及能量事件期间修正后的 ER 机制和 LH 机制对 H₂/D₂形成的贡献。富勒烯通过优先吸附原子氢而非分子氢，对星际空间中 H₂的丰度起到了重要作用。这些研究成果有助于提高当前星际 H₂形成模型的精度，为更全面地理解宇宙结构演化提供了重要依据。