Het leven (zoals wij het kennen) is gebaseerd op koolstof. Ondanks zijn alomtegenwoordigheid, heeft dit belangrijke element nog steeds veel geheimen, op aarde en in de hemel boven ons. Astrofysici zoals Daniel Wolf Savin van Columbia, die interstellaire wolken bestuderen, willen bijvoorbeeld begrijpen hoe de chemicaliën, waaronder koolstof, die in deze vage opeenhopingen van gas en stof wervelen, de sterren en planeten vormen die ons universum bezaaien en aanleiding geven tot organisch leven.

Deze interstellaire wolken zijn extreem koud en moeilijk na te bootsen in een laboratorium, maar Columbia heeft experts in ultrakoude wetenschap. Tijdens een retraite van de afdeling Natuurkunde enkele jaren geleden in het Nevis Laboratory van Columbia, ontmoette astrofysicus Savin kwantumfysicus Sebastian Will. Wills lab is gespecialiseerd in het met behulp van lasers tot het uiterste koelen van atomen en moleculen. Laserkoelingstechnieken zijn de afgelopen jaren snel vooruitgegaan, maar de typische keuzes van natuurkundigen voor atomen en moleculen komen niet al te vaak voor in het dagelijks leven. Savin wilde weten:kun je koolstofmoleculen koelen?

Het antwoord, althans theoretisch, is ja, volgens een studie die natuurkundestudent Niccolò Bigagli, Savin en Will onlangs publiceerden in Physical Review A .

Het startpunt voor laserkoeling van een atoom of molecuul is om te begrijpen hoe het licht absorbeert en uitzendt; dat proces vermindert de kinetische energie van het atoom of molecuul, waardoor het uiteindelijk afkoelt en bijna tot stilstand komt. De benodigde spectroscopische gegevens zijn moeilijk te verkrijgen en vereisen vaak dure laboratoriumapparatuur, maar gelukkig bestonden er al gegevens voor koolstofmoleculen in de ExoMol-database, een open-sourcebron van University College London met moleculaire spectroscopiegegevens die astrofysici gebruiken om de atmosferen van exoplaneten te bestuderen .

Bigagli dook in de gegevens van ExoMol en ontwikkelde een schema dat lasers zou moeten kunnen gebruiken om koolstofmoleculen af ​​te koelen tot extreem koude temperaturen - die omstandigheden in interstellaire wolken beter nabootsen dan voorheen mogelijk was in het laboratorium, merkte Savin op. Deze koude koolstofmoleculen zouden dan kunnen worden opgesloten met zogenaamde optische pincetten voor zeer nauwkeurige spectroscopie van hun fundamentele eigenschappen of voor reactie-experimenten om hun kwantumchemie te bestuderen, zoals opgemerkt door Will.

"Koolstofmoleculen zijn absoluut essentiële bouwstenen voor zoveel andere moleculen - het is ongelooflijk om na te denken over de mogelijkheden van wat we zouden kunnen creëren met dit nieuwe laserkoelingsschema," zei Bigagli. Dat kan het combineren van koolstof met waterstofatomen zijn om een ​​belangrijke klasse moleculen, koolwaterstoffen genaamd, te bestuderen.

Dat koolstofmoleculen, die in sommige opzichten behoorlijk verschillen van moleculen die tot nu toe in laboratoria met laser zijn gekoeld, vatbaar zijn voor de techniek, verhoogt ook de mogelijkheid dat er mogelijk meer opties op tafel liggen dan eerder werd gerealiseerd. "Koolstofmoleculen zouden de brug kunnen zijn tussen de enigszins esoterische moleculen van natuurkundigen en die welke chemici bestuderen met meer real-life toepassingen," zei Bigagli. Het team analyseert momenteel aanvullende gegevens om andere interessante moleculen te identificeren die mogelijk met laser kunnen worden gekoeld, en denkt na over wat ze kunnen toevoegen aan gekoelde koolstof.

Alleen echte experimenten zullen uitwijzen hoe succesvol het koolstofkoelschema zal zijn, zei Will, en hij hoopt dat zijn laboratorium binnenkort de nodige laseropstellingen kan bouwen. "We hebben laten zien dat dit in principe zal werken met de modernste technologie - we hebben alleen de middelen nodig om het samen te stellen", zei hij. + Verder verkennen

Ultrakoude polyatomische moleculen maken door ze in drie dimensies te vangen en af ​​te koelen