_ Cristale de Coulomb rece, indicii cosmice : Dezvăluirea misterelor chimiei spațiale

Deși poate să nu arate așa, spațiul interstelar dintre stele este departe de a fi gol. Atomi, ioni, molecule și multe altele locuiesc în acest mediu eteric cunoscut sub numele de Mediu Interstelar (ISM). ISM a fascinat oamenii de știință de zeci de ani, deoarece cel puțin 200 de molecule unice se formează în mediul său rece, cu presiune scăzută. Este un subiect care leagă împreună domeniile chimiei, fizicii și astronomiei, deoarece oamenii de știință din fiecare domeniu lucrează pentru a determina ce tipuri de reacții chimice au loc acolo.

Acum, în articolul de copertă al Journal of Physical Chimie A, JILA Fellow și profesorul de fizică de la Universitatea din Colorado Boulder Heather Lewandowski și fosta studentă absolventă JILA Olivia Krohn evidențiază munca lor de a imita condițiile ISM prin utilizarea cristalelor Coulomb, o structură pseudo-cristalină rece, pentru a urmări ionii și moleculele neutre interacționând între ele. .

Din experimentele lor, cercetătorii au rezolvat dinamica chimică în reacțiile neutre din punct de vedere ionic, utilizând răcirea precisă cu laser și spectrometria de masă pentru a controla stările cuantice, permițându-le astfel să emuleze cu succes reacțiile chimice ISM. Munca lor îi apropie pe oamenii de știință de a răspunde la unele dintre cele mai profunde întrebări despre dezvoltarea chimică a cosmosului.

„Domeniul s-a gândit de mult timp la care reacții chimice vor fi cele mai importante despre care să ne vorbească. alcătuirea mediului interstelar”, explică Krohn, primul autor al lucrării.

„Un grup cu adevărat important este reacțiile cu molecule neutre din punct de vedere ionic, exact pentru acest aparat experimental din grupul Lewandowski pentru a studia nu doar reacțiile chimice neutre din punct de vedere ionic, ci și la temperaturi relativ scăzute.”

Pentru a începe experimentul, Krohn și alți membri ai grupului Lewandowski au încărcat o capcană de ioni într-o cameră cu vid ultra-înalt. cu diverși ioni. Moleculele neutre au fost introduse separat. Deși știau că reactanții intrau în experimentul chimic de tip ISM, cercetătorii nu erau întotdeauna siguri ce produse vor fi create. În funcție de testul lor, cercetătorii au folosit diferite tipuri de ioni și molecule neutre similare cu cele din ISM. Aceasta a inclus ioni de CCl+ fragmentați din tetracloretilenă.

„S-a prezis că CCl+ se află în diferite regiuni ale spațiului. Dar nimeni nu a reușit să-și testeze eficient reactivitatea cu experimente pe Pământ, deoarece este atât de dificil de realizat”, Krohn. adaugă. „Trebuie să-l descompune din tetracloretilenă folosind lasere UV. Acest lucru creează tot felul de fragmente de ioni, nu doar CCl+, care pot complica lucrurile.”

Fie că folosești ioni de calciu sau CCl+, configurația experimentală a permis cercetătorii să filtreze ionii nedoriți folosind excitația rezonantă, lăsând în urmă reactanții chimici doriti.

„Puteți agita capcana la o frecvență rezonantă cu raportul masa-încărcare al unui anumit ion, iar acest lucru îi ejectează din capcana”, spune Krohn.

După filtrare, cercetătorii și-au răcit ionii folosind un proces cunoscut sub numele de răcire Doppler. Această tehnică folosește lumina laser pentru a reduce mișcarea atomilor sau a ionilor, răcindu-i eficient prin exploatarea efectului Doppler pentru a încetini, de preferință, particulele care se deplasează către laserul de răcire.

Pe măsură ce răcirea Doppler a scăzut temperatura particulelor la milikelvin. niveluri, ionii s-au aranjat într-o structură pseudo-cristalină, cristalul Coulomb, ținut în loc de câmpurile electrice din camera de vid. Cristalul Coulomb rezultat a fost o formă elipsoidală cu molecule mai grele așezate într-o înveliș în afara ionilor de calciu, împinse în afara centrului capcanei de particulele mai ușoare din cauza diferențelor dintre raporturile lor masă-încărcare.

Datorită capcanei adânci care conține ionii, cristalele Coulomb pot rămâne prinse ore în șir, iar Krohn și echipa le pot imagina în această capcană. În analiza imaginilor, cercetătorii au putut identifica și monitoriza reacția în timp real, văzând că ionii se organizează pe baza rapoartelor masă-încărcare.

Echipa a determinat, de asemenea, dependența de stare cuantică a reacției. a ionilor de calciu cu oxid nitric prin reglarea fină a laserelor de răcire, care a ajutat la producerea anumitor populații relative de stări cuantice ale ionilor de calciu prinși.

„Ce este distractiv este că folosește unul dintre aceste atomice mai specifice. tehnici de fizică pentru a analiza reacțiile cu rezoluție cuantică, ceea ce este puțin mai mult, cred, de esența fizicii a celor trei domenii, chimie, astronomie și fizică, chiar dacă toate trei sunt încă implicate", adaugă Krohn.

Pe lângă filtrarea cu capcană și răcirea Doppler, a treia tehnică experimentală a cercetătorilor i-a ajutat să emuleze reacțiile ISM: configurația spectrometriei de masă în timp de zbor (TOF-MS). În această parte a experimentului, un impuls de înaltă tensiune a accelerat ionii într-un tub de zbor, unde s-au ciocnit cu un detector de placă cu microcanal. Cercetătorii au putut determina ce particule au fost prezente în capcană pe baza timpului necesar ionilor pentru a lovi placa și a tehnicilor lor de imagistică.

„Din acest motiv, am reușit să facem câteva. a diferitelor studii în care putem rezolva mase vecine ale reactanților noștri și ionilor de produs”, adaugă Krohn.

Acest al treilea braț al aparatului experimental de chimie ISM a îmbunătățit rezoluția și mai mult, deoarece cercetătorii aveau acum mai multe moduri de a determinați ce produși au fost creați în reacțiile de tip ISM și masele lor respective.

Calculul masei potențialilor produși a fost deosebit de important, deoarece echipa putea apoi să-și schimbe reactanții inițiali cu izotopologi cu mase diferite și să vadă ceea ce s-a întâmplat.

Așa cum explică Krohn, „Aceasta ne permite să jucăm trucuri grozave, cum ar fi înlocuirea hidrogenului cu atomi de deuteriu sau înlocuirea diferiților atomi cu izotopi mai grei. Când facem asta, putem vedea din timpul... spectrometria de masă de zbor modul în care produsele noastre s-au schimbat, ceea ce ne oferă mai multă încredere în cunoștințele noastre despre cum să atribuim acele produse.”

Întrucât astrochimiștii au observat mai multe molecule care conțin deuteriu în ISM decât se aștepta de la raportul atomic deuteriu-hidrogen observat, schimbul de izotopi în experimente ca acesta le permite cercetătorilor să se apropie cu un pas de a determina de ce poate fi acest lucru.

„Cred că, în acest caz, ne permite să avem o bună detectare a ceea ce vedem", spune Krohn. „Și asta deschide mai multe uși.”

(Fluierul)