Cristales fríos de Coulomb, pistas cósmicas: Descubriendo los secretos de la química espacial

Aunque no lo parezca, el espacio interestelar entre estrellas no está vacío en absoluto. Átomos, iones, moléculas y más existen en este entorno etéreo conocido como medio interestelar (ISM). El ISM ha fascinado a los científicos durante décadas, con al menos 200 moléculas únicas formándose en su entorno frío y de baja presión. Es un tema que une los campos de la química, la física y la astronomía, ya que los científicos de cada campo trabajan para determinar los tipos de reacciones químicas que ocurren allí.

Ahora, en un artículo de portada publicado recientemente para el Journal of Physical Chemistry A, Heather Lewandowski, miembro del Instituto Gila y profesora de física de la Universidad de Colorado en Boulder, y Olivia Krohn, ex estudiante graduada del Instituto Gila, destacan su trabajo para imitar las condiciones ISM utilizando cristales de Coulomb, un pseudomaterial frío. . Estructura cristalina, para observar cómo los iones y las moléculas neutras interactúan entre sí.

A través de sus experimentos, los investigadores pudieron resolver la dinámica química en reacciones neutras de iones utilizando microenfriamiento láser y espectrometría de masas para controlar los estados cuánticos, lo que les permitió simular con éxito reacciones químicas ISM. Su trabajo acerca a los científicos a responder algunas de las preguntas más profundas sobre la evolución química del universo.

Filtrando a través de la energía

«Este campo lleva mucho tiempo pensando en qué reacciones químicas serán más importantes para informarnos sobre la composición del medio interestelar», explica Cron, primer autor del estudio. «Un conjunto realmente importante de esas interacciones son las interacciones de moléculas neutras con iones. Y eso es exactamente para lo que es adecuado este dispositivo experimental del grupo Lewandowski, no sólo para estudiar las interacciones químicas neutras de iones, sino también a temperaturas relativamente frías. «

Para comenzar el experimento, Krohn y otros miembros del grupo de Levandowski cargaron una trampa de iones en una cámara de muy alto vacío con diferentes iones. Las moléculas neutras se presentaron por separado. Aunque sabían qué reactivos entrarían en un experimento de química tipo ISM, los investigadores no siempre estaban seguros de qué productos se producirían. Dependiendo de su prueba, los investigadores utilizaron diferentes tipos de iones y moléculas neutras similares a las que se encuentran en el ISM. Esto incluía iones CCl+ fragmentados de tetracloroetileno.

“Se espera que el CCl+ esté en diferentes regiones del espacio, pero nadie ha podido probar eficazmente su reacción mediante experimentos en la Tierra, porque es muy difícil de producir”, añade Krohn. “Hay que descomponerlo a partir de tetracloroetileno. láseres sobre Violeta. Esto crea todo tipo de fragmentos iónicos, no sólo CCl+, lo que puede complicar las cosas.

Ya sea usando iones de calcio o CCl+, la configuración experimental permitió a los investigadores filtrar iones no deseados mediante excitación resonante, dejando atrás los reactivos químicos deseados.

«Puedes agitar la trampa a una frecuencia que coincida con la relación masa-carga de un ion en particular, y eso lo saca de la trampa», dice Krohn.

Enfriamiento por láser para formar cristales de Coulomb

Después del filtrado, los investigadores enfriaron sus iones mediante un proceso conocido como enfriamiento Doppler. Esta tecnología utiliza luz láser para reducir el movimiento de átomos o iones, enfriándolos eficazmente aprovechando el efecto Doppler para ralentizar preferentemente el movimiento de las moléculas hacia el láser de enfriamiento. Cuando el enfriamiento Doppler redujo la temperatura de las partículas a niveles de mikelvin, los iones se organizaron en una estructura pseudocristalina, un cristal de Coulomb, que se mantuvo en su lugar mediante campos eléctricos dentro de la cámara de vacío. El cristal de Coulomb resultante tenía forma de elipsoide con partículas más pesadas descansando en una capa fuera de los iones de calcio, empujadas fuera del centro de la trampa por las partículas más ligeras debido a diferencias en las relaciones masa-carga.

Gracias a la trampa profunda que contiene los iones, los cristales de Coulomb pueden permanecer atrapados durante horas, y Krohn y el equipo pueden visualizarlos en esta trampa. Al analizar las imágenes, los investigadores pudieron identificar y monitorear la interacción en tiempo real y ver cómo los iones se organizan en función de sus relaciones masa-carga.

El equipo también determinó la dependencia del estado cuántico de la interacción de los iones de calcio con el óxido nítrico mediante láseres criogénicos de ajuste fino, lo que ayudó a producir combinaciones relativas específicas de estados cuánticos para los iones de calcio atrapados.

Los cristales de Coulomb rodeados de moléculas se utilizan en el Laboratorio Lewandowski para estudiar reacciones astroquímicas. Crédito Stephen Burrows/Olivia Krohn y el Grupo Lewandowski

“Lo divertido de esto es que aprovecha una de las técnicas más específicas de la física atómica para observar las interacciones cuánticas, que creo que es un poco más central de la física en las tres áreas: química, astronomía y física. , a pesar de que los tres son los que siguen involucrados «.

Tiempo lo es todo

Además de la filtración por trampa y el enfriamiento Doppler, una tercera técnica experimental ayudó a los investigadores a simular las interacciones ISM: una configuración de espectrometría de masas de tiempo de vuelo (TOF-MS). En esta parte del experimento, un pulso de alto voltaje aceleró los iones a través del tubo de vuelo, donde chocaron contra un detector de placa de microcanal. Los investigadores pudieron identificar las partículas en la trampa basándose en el tiempo que tardaron los iones en llegar a la placa y sus técnicas de imagen.

«Gracias a esto, pudimos realizar dos estudios diferentes en los que pudimos resolver las masas adyacentes de los iones reactivos y productos», añade Kron.

Este tercer brazo del aparato experimental de la química ISM ha mejorado aún más la precisión, ya que los investigadores ahora tienen múltiples formas de identificar los productos creados en reacciones de tipo ISM y sus masas específicas.

Calcular la masa de los productos potenciales fue particularmente importante ya que el equipo pudo intercambiar los reactivos iniciales con isótopos de diferentes masas y ver qué sucedía.

Como explica Krohn: “Esto nos permite realizar trucos interesantes, como reemplazar átomos de hidrógeno con átomos de deuterio o reemplazar diferentes átomos con isótopos más pesados. Cuando hacemos eso, podemos ver mediante espectrometría de masas de tiempo de vuelo cómo han cambiado nuestros productos, lo que nos da más confianza en nuestro conocimiento sobre cómo identificar cuáles son esos productos.

Debido a que los astroquímicos han observado más moléculas que contienen deuterio en el ISM de lo que se esperaría a partir de la relación atómica deuterio-hidrógeno observada, el intercambio de isótopos en experimentos como este permite a los investigadores acercarse un paso más a determinar por qué es así.

«Creo que, en este caso, esto nos permite tener una buena detección de lo que estamos viendo», dice Krohn. «Esto abre más puertas».

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

Interacciones frías ion-moleculares en el ambiente extremo de un cristal de CoulombRevista de química física A

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