Även om det kanske inte ser ut så är det interstellära utrymmet mellan stjärnor långt ifrån tomt. Atomer, joner, molekyler och mer finns i denna eteriska miljö som kallas Interstellar Medium (ISM). ISM har fascinerat forskare i årtionden, eftersom minst 200 unika molekyler bildas i dess kalla miljö med lågt tryck. Det är ett ämne som binder samman områdena kemi, fysik och astronomi, eftersom forskare från varje fält arbetar för att avgöra vilka typer av kemiska reaktioner som händer där.
Nu, i omslagsartikeln till Journal of Physical Chemistry A , JILA Fellow och University of Colorado Boulder Physics Professor Heather Lewandowski och tidigare JILA doktorand Olivia Krohn lyfter fram sitt arbete för att efterlikna ISM-förhållanden genom att använda Coulomb-kristaller, en kall pseudokristallin struktur, för att se joner och neutrala molekyler interagera med varandra.
Från sina experiment löste forskarna kemisk dynamik i jonneutrala reaktioner genom att använda exakt laserkylning och masspektrometri för att kontrollera kvanttillstånd, vilket gjorde det möjligt för dem att framgångsrikt emulera ISM-kemiska reaktioner. Deras arbete för forskare närmare att svara på några av de mest djupgående frågorna om den kemiska utvecklingen av kosmos.
"Fältet har länge funderat på vilka kemiska reaktioner som kommer att vara de viktigaste för att berätta om sammansättningen av det interstellära mediet", förklarar Krohn, tidningens första författare.
"En riktigt viktig grupp av dessa är de jonneutrala molekylreaktionerna. Det är precis vad denna experimentella apparat i Lewandowskigruppen är lämpad för, att studera inte bara jonneutrala kemiska reaktioner utan även vid relativt kalla temperaturer."
För att börja experimentet laddade Krohn och andra medlemmar av Lewandowski-gruppen en jonfälla i en ultrahög vakuumkammare med olika joner. Neutrala molekyler infördes separat. Medan de kände till reaktanterna som gick in i det kemiska experimentet av ISM-typ, var forskarna inte alltid säkra på vilka produkter som skulle skapas. Beroende på deras test använde forskarna olika typer av joner och neutrala molekyler liknande de i ISM. Detta inkluderade CCl + joner fragmenterade från tetrakloretylen.
"CCl + har förutspåtts vara i olika regioner i rymden. Men ingen har effektivt kunnat testa dess reaktivitet med experiment på jorden eftersom det är så svårt att göra," tillägger Krohn. "Du måste bryta ner den från tetrakloretylen med UV-lasrar. Detta skapar alla typer av jonfragment, inte bara CCl + , vilket kan komplicera saker."
Oavsett om du använder kalcium eller CCl + joner, gjorde experimentupplägget det möjligt för forskarna att filtrera bort oönskade joner med hjälp av resonant excitation, vilket lämnade de önskade kemiska reaktanterna bakom sig.
"Du kan skaka fällan med en frekvens som är resonant med en viss jons massa-till-laddningsförhållande, och detta kastar ut dem från fällan", säger Krohn.
Efter filtrering kylde forskarna sina joner med en process som kallas dopplerkylning. Den här tekniken använder laserljus för att minska rörelsen hos atomer eller joner, och kyler dem effektivt genom att utnyttja dopplereffekten för att företrädesvis bromsa partiklar som rör sig mot den kylande lasern.
När dopplerkylningen sänkte partiklarnas temperatur till millikelvinnivåer, ordnade jonerna sig i en pseudokristallin struktur, Coulomb-kristallen, som hölls på plats av de elektriska fälten i vakuumkammaren. Den resulterande Coulomb-kristallen var en ellipsoidform med tyngre molekyler som satt i ett skal utanför kalciumjonerna, tryckta ut ur fällans mitt av de lättare partiklarna på grund av skillnaderna i deras förhållande mellan massa och laddning.
Tack vare den djupa fällan som innehåller jonerna kan Coulomb-kristallerna förbli instängda i timmar, och Krohn och teamet kan avbilda dem i denna fälla. Genom att analysera bilderna kunde forskarna identifiera och övervaka reaktionen i realtid och se jonerna organisera sig utifrån förhållande mellan massa och laddning.
Teamet fastställde också kvanttillståndsberoendet av reaktionen mellan kalciumjoner och kväveoxid genom att finjustera kyllasrarna, vilket hjälpte till att producera vissa relativa populationer av kvanttillstånd för de fångade kalciumjonerna.
"Det som är roligt med det är att det utnyttjar en av dessa mer specifika atomfysiktekniker för att titta på kvantupplösta reaktioner, vilket är lite mer, tror jag, av fysikens väsen i de tre områdena, kemi, astronomi och fysik, till och med även om alla tre fortfarande är inblandade", tillägger Krohn.
Förutom fällfiltrering och dopplerkylning, hjälpte forskarnas tredje experimentella teknik dem att efterlikna ISM-reaktionerna:deras time-of-flight masspektrometri (TOF-MS) inställning. I den här delen av experimentet accelererade en högspänningspuls jonerna ner i ett flygrör, där de kolliderade med en mikrokanalplattdetektor. Forskarna kunde avgöra vilka partiklar som fanns i fällan baserat på tiden det tog för jonerna att träffa plattan och deras avbildningstekniker.
"På grund av detta har vi kunnat göra ett par olika studier där vi kan lösa närliggande massor av vår reaktant och produktjoner", tillägger Krohn.
Denna tredje arm av experimentapparaten för ISM-kemi förbättrade upplösningen ytterligare eftersom forskarna nu hade flera sätt att bestämma vilka produkter som skapades i reaktionerna av ISM-typ och deras respektive massor.
Att beräkna massan av de potentiella produkterna var särskilt viktigt eftersom teamet sedan kunde byta ut sina initiala reaktanter med isotopologer med olika massor och se vad som hände.
Som Krohn utvecklar, "Det gör att vi kan spela coola knep som att ersätta väte med deuteriumatomer eller ersätta olika atomer med tyngre isotoper. När vi gör det kan vi se från flygtidsmasspektrometrin hur våra produkter har förändrats, vilket ger oss mer förtroende för vår kunskap om hur man tilldelar vad dessa produkter är."
Eftersom astrokemister har observerat fler deuteriumhaltiga molekyler i ISM än vad som förväntas från det observerade atomära deuterium-till-väte-förhållandet, gör att byte av isotoper i experiment som detta gör det möjligt för forskare att komma ett steg närmare att avgöra varför detta kan vara.
"Jag tror att det i det här fallet tillåter oss att ha bra upptäckt av vad vi ser," säger Krohn. "Och det öppnar fler dörrar."
Mer information: 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
Journalinformation: Journal of Physical Chemistry A
Tillhandahålls av JILA
