Kolde Coulomb-krystaller, kosmiske spor:Optrævling af rumkemiens mysterier

Selvom det måske ikke ligner det, er det interstellare rum mellem stjerner langt fra tomt. Atomer, ioner, molekyler og mere findes i dette æteriske miljø kendt som Interstellar Medium (ISM). ISM har fascineret forskere i årtier, da mindst 200 unikke molekyler dannes i dets kolde lavtryksmiljø. Det er et emne, der binder områderne kemi, fysik og astronomi sammen, da videnskabsmænd fra hvert felt arbejder på at bestemme, hvilke typer kemiske reaktioner der sker der.

Nu i forsideartiklen til Journal of Physical Chemistry A , JILA Fellow og University of Colorado Boulder Physics Professor Heather Lewandowski og tidligere JILA kandidatstuderende Olivia Krohn fremhæver deres arbejde med at efterligne ISM-forhold ved at bruge Coulomb-krystaller, en kold pseudo-krystallinsk struktur, til at se ioner og neutrale molekyler interagere med hinanden.

Fra deres eksperimenter løste forskerne kemisk dynamik i ion-neutrale reaktioner ved at bruge præcis laserkøling og massespektrometri til at kontrollere kvantetilstande, og derved give dem mulighed for at efterligne ISM-kemiske reaktioner med succes. Deres arbejde bringer videnskabsmænd tættere på at besvare nogle af de mest dybtgående spørgsmål om den kemiske udvikling af kosmos.

Filtrering via energi

"Feltet har længe tænkt på, hvilke kemiske reaktioner der vil være de vigtigste for at fortælle os om sammensætningen af ​​det interstellare medium," forklarer Krohn, avisens første forfatter.

"En virkelig vigtig gruppe af disse er de ion-neutrale molekylereaktioner. Det er præcis, hvad dette eksperimentelle apparat i Lewandowski-gruppen er egnet til, at studere ikke kun ion-neutrale kemiske reaktioner, men også ved relativt kolde temperaturer."

For at begynde eksperimentet fyldte Krohn og andre medlemmer af Lewandowski-gruppen en ionfælde i et ultrahøjt vakuumkammer med forskellige ioner. Neutrale molekyler blev indført separat. Mens de kendte reaktanterne, der gik ind i det kemiske eksperiment af ISM-typen, var forskerne ikke altid sikre på, hvilke produkter der ville blive skabt. Afhængigt af deres test brugte forskerne forskellige typer ioner og neutrale molekyler svarende til dem i ISM. Dette inkluderede CCl ⁺ ioner fragmenteret fra tetrachlorethylen.

"CCl ⁺ er blevet forudsagt at være i forskellige områder af rummet. Men ingen har været i stand til effektivt at teste dens reaktivitet med eksperimenter på Jorden, fordi den er så svær at lave," tilføjer Krohn. "Du er nødt til at nedbryde den fra tetrachlorethylen ved hjælp af UV-lasere. Dette skaber alle slags ionfragmenter, ikke kun CCl ⁺ , hvilket kan komplicere tingene."

Uanset om du bruger calcium eller CCl ⁺ ioner tillod den eksperimentelle opsætning forskerne at filtrere uønskede ioner fra ved hjælp af resonant excitation, hvilket efterlod de ønskede kemiske reaktanter.

"Du kan ryste fælden ved en frekvens, der resonanserer med en bestemt ions masse-til-ladning-forhold, og dette skubber dem ud af fælden," siger Krohn.

Køling via laser for at skabe Coulomb-krystaller

Efter filtrering afkølede forskerne deres ioner ved hjælp af en proces kendt som Doppler-køling. Denne teknik bruger laserlys til at reducere bevægelsen af ​​atomer eller ioner, og effektivt afkøle dem ved at udnytte Doppler-effekten til fortrinsvis at bremse partikler, der bevæger sig mod den kølende laser.

Da Doppler-afkølingen sænkede partiklernes temperatur til millikelvin-niveauer, arrangerede ionerne sig i en pseudo-krystallinsk struktur, Coulomb-krystallen, holdt på plads af de elektriske felter i vakuumkammeret. Den resulterende Coulomb-krystal var en ellipseform med tungere molekyler, der sad i en skal uden for calciumionerne, skubbet ud af fældens centrum af de lettere partikler på grund af forskellene i deres masse-til-ladning-forhold.

Takket være den dybe fælde, der indeholder ionerne, kan Coulomb-krystallerne forblive fanget i timevis, og Krohn og holdet kan forestille sig dem i denne fælde. Ved at analysere billederne kunne forskerne identificere og overvåge reaktionen i realtid ved at se ionerne organisere sig baseret på masse-til-ladning-forhold.

Holdet bestemte også kvantetilstandsafhængigheden af ​​reaktionen mellem calciumioner og nitrogenoxid ved at finjustere kølelaserne, hvilket hjalp med at producere visse relative populationer af kvantetilstande af de fangede calciumioner.

"Det, der er sjovt ved det, er, at det udnytter en af ​​disse mere specifikke atomfysiske teknikker til at se på kvanteopløste reaktioner, som er en lille smule mere, synes jeg, af fysikkens essens af de tre felter, kemi, astronomi og fysik, endda selvom alle tre stadig er involveret," tilføjer Krohn.

Timingen er alt

Udover fældefiltrering og Doppler-køling hjalp forskernes tredje eksperimentelle teknik dem med at efterligne ISM-reaktionerne:deres time-of-flight massespektrometri (TOF-MS) opsætning. I denne del af eksperimentet accelererede en højspændingsimpuls ionerne ned i et flyverør, hvor de kolliderede med en mikrokanalpladedetektor. Forskerne kunne bestemme, hvilke partikler der var til stede i fælden baseret på den tid, det tog for ionerne at ramme pladen og deres billeddannelsesteknikker.

"På grund af dette har vi været i stand til at lave et par forskellige undersøgelser, hvor vi kan opløse nabomasser af vores reaktant og produktioner," tilføjer Krohn.

Denne tredje arm af det eksperimentelle ISM-kemi-apparat forbedrede opløsningen yderligere, da forskerne nu havde flere måder at bestemme, hvilke produkter der blev skabt i reaktionerne af ISM-typen og deres respektive masser.

At beregne massen af ​​de potentielle produkter var især vigtig, da holdet derefter kunne skifte deres oprindelige reaktanter ud med isotopologer med forskellige masser og se, hvad der skete.

Som Krohn uddyber:"Det giver os mulighed for at spille seje tricks som at erstatte hydrogener med deuteriumatomer eller erstatte forskellige atomer med tungere isotoper. Når vi gør det, kan vi se fra flyvetidsmassespektrometrien, hvordan vores produkter har ændret sig, hvilket giver os mere tillid til vores viden om, hvordan man tildeler, hvad disse produkter er."

Da astrokemikere har observeret flere deuteriumholdige molekyler i ISM, end der forventes ud fra det observerede atomare deuterium-til-brint-forhold, giver udskiftning af isotoper i eksperimenter som dette forskerne mulighed for at komme et skridt tættere på at bestemme, hvorfor dette kan være.

"Jeg tror, ​​at det i dette tilfælde giver os mulighed for at have en god registrering af, hvad vi ser," siger Krohn. "Og det åbner flere døre."

Flere oplysninger: O. A. Krohn et al., Cold Ion-Molecule Reactions in the Extreme Environment of a Coulomb Crystal, The Journal of Physical Chemistry A (2024). DOI:10.1021/acs.jpca.3c07546

Journaloplysninger: Journal of Physical Chemistry A

Leveret af JILA