Wetenschap
Koude Coulomb-kristallen, kosmische aanwijzingen:het ontrafelen van de mysteries van de ruimtechemie
Hoewel het er misschien niet zo uitziet, is de interstellaire ruimte tussen de sterren verre van leeg. Atomen, ionen, moleculen en meer bevinden zich in deze etherische omgeving die bekend staat als het Interstellaire Medium (ISM). Het ISM fascineert wetenschappers al tientallen jaren, omdat er minstens 200 unieke moleculen ontstaan in de koude, lagedrukomgeving. Het is een onderwerp dat de gebieden scheikunde, natuurkunde en astronomie met elkaar verbindt, terwijl wetenschappers uit elk veld proberen te bepalen welke soorten chemische reacties daar plaatsvinden.
Nu, in het omslagartikel van het Journal of Physical Chemistry A JILA Fellow en professor Heather Lewandowski, professor in de Boulder Physics van de Universiteit van Colorado, en voormalig JILA-student Olivia Krohn benadrukken hun werk om ISM-omstandigheden na te bootsen door Coulomb-kristallen, een koude pseudo-kristallijne structuur, te gebruiken om te zien hoe ionen en neutrale moleculen met elkaar interageren.
Uit hun experimenten hebben de onderzoekers de chemische dynamica in ion-neutrale reacties opgelost door nauwkeurige laserkoeling en massaspectrometrie te gebruiken om kwantumtoestanden te controleren, waardoor ze ISM-chemische reacties met succes konden nabootsen. Hun werk brengt wetenschappers dichter bij het beantwoorden van enkele van de meest diepgaande vragen over de chemische ontwikkeling van de kosmos.
Filteren via energie
‘Het veld heeft lang nagedacht over welke chemische reacties het belangrijkst zullen zijn om ons te vertellen over de samenstelling van het interstellaire medium’, legt Krohn, de eerste auteur van het artikel, uit.
"Een heel belangrijke groep daarvan zijn de ion-neutrale molecuulreacties. Dat is precies waar dit experimentele apparaat in de Lewandowski-groep geschikt voor is, om niet alleen ion-neutrale chemische reacties te bestuderen, maar ook bij relatief lage temperaturen."
Om het experiment te beginnen, laadden Krohn en andere leden van de Lewandowski-groep een ionenval in een ultrahoogvacuümkamer met verschillende ionen. Neutrale moleculen werden afzonderlijk geïntroduceerd. Hoewel ze wisten welke reactanten aan het chemische experiment van het ISM-type zouden deelnemen, wisten de onderzoekers niet altijd zeker welke producten er zouden ontstaan. Afhankelijk van hun test gebruikten de onderzoekers verschillende soorten ionen en neutrale moleculen, vergelijkbaar met die in de ISM. Dit omvatte CCl + ionen gefragmenteerd uit tetrachloorethyleen.
"CCl + Er wordt voorspeld dat deze zich in verschillende delen van de ruimte bevinden. Maar niemand heeft de reactiviteit ervan effectief kunnen testen met experimenten op aarde, omdat het zo moeilijk te maken is", voegt Krohn toe. "Je moet het met behulp van UV-lasers uit tetrachloorethyleen afbreken. Hierdoor ontstaan allerlei ionenfragmenten, niet alleen CCl + , wat de zaken kan compliceren."
Of je nu calcium of CCl + gebruikt Dankzij de experimentele opstelling konden de onderzoekers ongewenste ionen eruit filteren met behulp van resonante excitatie, waardoor de gewenste chemische reactanten achterbleven.
"Je kunt de val laten schudden op een frequentie die resoneert met de massa-ladingsverhouding van een bepaald ion, en hierdoor worden ze uit de val geworpen", zegt Krohn.
Koeling via laser om Coulomb-kristallen te creëren
Na het filteren koelden de onderzoekers hun ionen af met behulp van een proces dat bekend staat als Doppler-koeling. Deze techniek maakt gebruik van laserlicht om de beweging van atomen of ionen te verminderen, waardoor ze effectief worden gekoeld door gebruik te maken van het Doppler-effect om bij voorkeur deeltjes te vertragen die naar de koellaser bewegen.
Terwijl de Doppler-koeling de temperatuur van de deeltjes verlaagde tot millikelvin-niveaus, rangschikten de ionen zichzelf in een pseudo-kristallijne structuur, het Coulomb-kristal, dat op zijn plaats werd gehouden door de elektrische velden in de vacuümkamer. Het resulterende Coulomb-kristal had een ellipsoïde vorm met zwaardere moleculen die in een schil buiten de calciumionen zaten en door de lichtere deeltjes uit het midden van de val werden geduwd vanwege de verschillen in hun massa-ladingsverhouding.
Dankzij de diepe val die de ionen bevat, kunnen de Coulomb-kristallen urenlang gevangen blijven, en Krohn en het team kunnen ze in deze val vangen. Bij het analyseren van de beelden konden de onderzoekers de reactie in realtime identificeren en volgen, waarbij ze zagen dat de ionen zichzelf organiseerden op basis van massa-ladingsverhoudingen.
Het team bepaalde ook de afhankelijkheid van de kwantumtoestand van de reactie van calciumionen met stikstofmonoxide door de koellasers te verfijnen, wat hielp bij het produceren van bepaalde relatieve populaties van kwantumtoestanden van de gevangen calciumionen.
“Het leuke daaraan is dat het gebruik maakt van een van deze meer specifieke technieken uit de atoomfysica om naar kwantumopgeloste reacties te kijken, wat volgens mij iets meer is dan de natuurkundige essentie van de drie vakgebieden, scheikunde, astronomie en natuurkunde, zelfs hoewel ze alle drie nog steeds betrokken zijn", voegt Krohn toe.
Timing is alles
Naast trapfiltratie en Doppler-koeling hielp de derde experimentele techniek van de onderzoekers hen de ISM-reacties na te bootsen:hun time-of-flight massaspectrometrie (TOF-MS) opstelling. In dit deel van het experiment versnelde een hoogspanningspuls de ionen door een vluchtbuis, waar ze in botsing kwamen met een microkanaalplaatdetector. De onderzoekers konden bepalen welke deeltjes in de val aanwezig waren op basis van de tijd die de ionen nodig hadden om de plaat te raken en hun beeldvormingstechnieken.
"Hierdoor hebben we een aantal verschillende onderzoeken kunnen doen waarbij we aangrenzende massa's van onze reactanten en productie-ionen kunnen oplossen", voegt Krohn toe.
Deze derde tak van het ISM-chemische experimentele apparaat verbeterde de resolutie nog verder, omdat de onderzoekers nu meerdere manieren hadden om te bepalen welke producten werden gecreëerd in de ISM-achtige reacties en hun respectieve massa's.
Het berekenen van de massa van de potentiële producten was vooral belangrijk omdat het team vervolgens hun initiële reactanten kon verwisselen met isotopologen met verschillende massa's en kon zien wat er gebeurde.
Zoals Krohn uitlegt:‘Dat stelt ons in staat coole trucjes uit te halen, zoals het vervangen van waterstofatomen door deuteriumatomen of het vervangen van verschillende atomen door zwaardere isotopen. Als we dat doen, kunnen we aan de hand van de time-of-flight-massaspectrometrie zien hoe onze producten zijn veranderd, wat geeft ons meer vertrouwen in onze kennis over hoe we kunnen toewijzen wat die producten zijn."
Omdat astrochemici meer deuteriumhoudende moleculen in de ISM hebben waargenomen dan op basis van de waargenomen atomaire deuterium-waterstofverhouding wordt verwacht, kunnen onderzoekers door het uitwisselen van isotopen in experimenten als deze een stap dichter komen bij het bepalen waarom dit zo is.
"Ik denk dat het ons in dit geval in staat stelt een goede detectie te hebben van wat we zien", zegt Krohn. "En dat opent meer deuren."