H₃⁺离子被称作“星际化学的触发剂”（the initiator of interstellar chemistry），是极其重要的星际介质，以其独特的结构和动力学性质成为相关领域内实验理论研究以及天文学观测的热点。研究表明，烷烃等有机分子的双电离解离是宇宙中形成H₃⁺离子的途径之一。然而多数分子解离形成H₃⁺离子的截面非常小，理论上的动力学过程过于复杂，使得人们对分子解离形成H₃⁺离子的机制了解有限。近些年来，随着实验测量的时空分辨以及计算模拟的精度不断提高，分子解离机制研究成为本领域的前沿研究之一。

我系魏宝仁教授课题组利用复旦大学高电荷态离子碰撞平台以及冷靶反冲离子动量谱仪（COLTRIMS），对带电粒子作用下烷烃分子解离形成H₃⁺离子进行系统的实验研究。实验上精确测量H₃⁺离子解离通道的动能释放，结合过渡态理论、反应路径计算以及从头算分子动力学模拟，系统揭示了H₃⁺离子的形成机制。

研究发现H₃⁺的形成涉及多个分子内氢迁移/质子转移过程。首先通过双氢迁移形成中性的氢分子，该分子进一步通过两种机制获得一个质子，最终形成H₃⁺。一方面，质子越过过渡态势垒从碳基团转移到H₂，该过程为超快过程，时间尺度在100 fs以内；另一方面，对于分子动能不足以克服反应势垒的情况，质子转移之前需要经历H₂的漫游过程。漫游轨迹偏离了最小反应路径，在大时空尺度下分子内能重新分配，最终质子越过势垒形成H₃⁺。

这项研究以“Formation of H₃⁺ from ethane dication induced by electron impact”为题，发表在《Communications Chemistry》上。我系毕业生张煜博士为文章第一作者，美国堪萨斯州立大学王恩亮博士和我系魏宝仁教授为共同通讯作者。作者还包括鲁东大学杨传路教授，我系研究生任百惠、魏龙、王博、韩杰和于皖东，及邹亚明教授和讲座教授陈力。该工作得到复旦大学核物理与离子束应用教育部重点实验室、国家自然科学基金委员会和科技部等部门的资助。

论文链接：https://rdcu.be/b96Lj

DOI: 10.1038/s42004-020-00415-9