Раскройте тайны космической химии

Хотя может показаться, что межзвездное пространство между звездами вовсе не пустое. Атомы, ионы, молекулы и многое другое существуют в этой эфирной среде, известной как межзвездная среда (ISM). ISM очаровывал ученых на протяжении десятилетий, поскольку в его холодной среде с низким давлением образовалось по меньшей мере 200 уникальных молекул. Эта тема объединяет области химии, физики и астрономии, поскольку ученые из каждой области работают над определением типов химических реакций, которые там происходят.

Теперь перейдем к обложке статьи. Журнал физической химии Анаучный сотрудник JILA и профессор физики Университета Колорадо в Боулдере Хизер Левандовски и бывшая аспирантка JILA Оливия Крон рассказывают о своей работе по имитации условий ISM с использованием кулоновских кристаллов, холодной псевдокристаллической структуры, для наблюдения за взаимодействием ионов и нейтральных молекул друг с другом.

Благодаря своим экспериментам исследователи смогли определить химическую динамику нейтральных реакций ионов, используя лазерное микроохлаждение и масс-спектрометрию для управления квантовыми состояниями, что позволило им успешно моделировать химические реакции ISM. Их работа приближает ученых к ответу на некоторые из самых глубоких вопросов о химической эволюции Вселенной.

Фильтрация по энергии

«В этой области уже давно думают о том, какие химические реакции будут наиболее важными, чтобы рассказать нам о составе межзвездной среды», — объясняет Крон, первый автор исследования.

«Одна группа, которая действительно важна, — это нейтральные молекулярные взаимодействия ионов. И это именно то, для чего подходит это экспериментальное устройство группы Левандовски: не только для изучения нейтральных химических взаимодействий ионов, но и для изучения при относительно низких температурах».

Чтобы начать эксперимент, Крон и другие члены группы Левандовски загрузили ионную ловушку в камеру с очень высоким вакуумом различными ионами. Нейтральные молекулы были представлены отдельно. Хотя они знали, какие реагенты будут использованы в химическом эксперименте типа ISM, исследователи не всегда были уверены, какие продукты будут получены. В зависимости от теста исследователи использовали разные типы ионов и нейтральных молекул, аналогичные тем, которые обнаружены в ISM. Сюда входит CCl⁺ Фрагментарные ионы тетрахлорэтилена.

«ККл⁺ Ожидается, что он будет находиться в разных регионах космоса. «Но никому не удалось эффективно проверить его взаимодействие с помощью экспериментов на Земле, потому что это очень сложно сделать», — добавляет Крон. «Вам придется расщеплять его из тетрахлорэтилена с помощью ультрафиолетового лазера. При этом образуются все виды ионных фрагментов, а не только CCl».⁺«Это может усложнить ситуацию».

Либо с использованием кальция, либо CCl.⁺ Ионы Экспериментальная установка позволила исследователям отфильтровывать нежелательные ионы с помощью резонансного возбуждения, оставляя после себя химически активные химические вещества.

«Вы можете встряхнуть ловушку с частотой, которая соответствует соотношению массы к заряду конкретного иона, и это выбьет его из ловушки», — говорит Крон.

Лазерное охлаждение для формирования кулоновских кристаллов

После фильтрации исследователи охладили ионы, используя процесс, известный как доплеровское охлаждение. Эта технология использует лазерный свет для уменьшения движения атомов или ионов, эффективно охлаждая их за счет использования эффекта Доплера для преимущественного замедления движения молекул к охлаждающему лазеру.

Когда доплеровское охлаждение снизило температуру частиц до уровня милликельвинов, ионы образовали псевдокристаллическую структуру — кулоновский кристалл, который удерживался на месте электрическими полями внутри вакуумной камеры. Полученный кулоновский кристалл имел форму эллипсоида с более тяжелыми частицами, покоящимися в оболочке вне ионов кальция, вытесненными из центра ловушки более легкими частицами из-за различий в отношении массы к заряду.

Благодаря глубокой ловушке, содержащей ионы, кулоновские кристаллы могут оставаться в ловушке часами, и Крон и его команда могут визуализировать их в этой ловушке. Анализируя изображения, исследователи смогли идентифицировать и отслеживать взаимодействие в режиме реального времени, а также видеть, как ионы организуются в зависимости от их отношения массы к заряду.

Команда также определила зависимость взаимодействия ионов кальция с оксидом азота от квантового состояния с помощью точной настройки криогенных лазеров, что помогло создать определенные относительные комбинации квантовых состояний для захваченных ионов кальция.

«Что интересно в этом, так это то, что для изучения квантовых взаимодействий используется один из наиболее конкретных методов атомной физики, который, я думаю, немного больше относится к ядру физики в трех областях: химии, астрономии и физике. , хотя эти трое все еще участвуют».

Время решает все

Помимо ловушечной фильтрации и доплеровского охлаждения, исследователям помог симулировать взаимодействия ISM третий экспериментальный метод: установка времяпролетной масс-спектрометрии (TOF-MS). В этой части эксперимента высоковольтный импульс ускорял ионы через пролетную трубку, где они попадали на микроканальный пластинчатый детектор. Исследователи смогли идентифицировать частицы в ловушке на основе времени, которое потребовалось ионам для достижения пластины, и методов их визуализации.

«Благодаря этому мы смогли провести два разных исследования, в которых мы смогли определить соседние массы для реагентов и ионов-продуктов», — добавляет Крон.

Это третье направление экспериментального аппарата химии ISM еще больше повысило точность, поскольку у исследователей теперь есть несколько способов идентифицировать продукты, образующиеся в реакциях типа ISM, и их удельные массы.

Расчет массы потенциальных продуктов был особенно важен, поскольку затем команда смогла заменить исходные реагенты изотопами разной массы и посмотреть, что произойдет.

Как объясняет Крон: «Это позволяет нам проделывать крутые трюки, например заменять атомы водорода атомами дейтерия или заменять различные атомы более тяжелыми изотопами. Когда мы это делаем, мы можем видеть с помощью времяпролетной масс-спектрометрии, как изменились наши продукты. дает нам больше уверенности в наших знаниях о том, как определить, что это за продукты».

Поскольку астрохимики наблюдали в ISM больше дейтерийсодержащих молекул, чем можно было бы ожидать, судя по наблюдаемому атомному соотношению дейтерия к водороду, изотопный обмен в подобных экспериментах позволяет исследователям стать на шаг ближе к определению того, почему это так.

«Я думаю, в данном случае это позволяет нам хорошо распознавать то, что мы видим», — говорит Крон. «Это открывает больше дверей».