Ora, nell'articolo di copertina del Journal of Physical Chemistry A , JILA Fellow e professoressa di fisica dell'Università del Colorado Boulder Heather Lewandowski e l'ex studentessa laureata JILA Olivia Krohn evidenziano il loro lavoro per imitare le condizioni ISM utilizzando cristalli di Coulomb, una struttura pseudo-cristallina fredda, per osservare ioni e molecole neutre interagire tra loro.

Dai loro esperimenti, i ricercatori hanno risolto la dinamica chimica nelle reazioni ioniche neutre utilizzando un preciso raffreddamento laser e la spettrometria di massa per controllare gli stati quantistici, consentendo così loro di emulare con successo le reazioni chimiche ISM. Il loro lavoro avvicina gli scienziati alla risposta ad alcune delle domande più profonde sullo sviluppo chimico del cosmo.

Filtraggio tramite energia

"Il campo riflette da tempo su quali reazioni chimiche saranno le più importanti per raccontarci la composizione del mezzo interstellare", spiega Krohn, il primo autore dell'articolo.

"Un gruppo davvero importante di questi sono le reazioni delle molecole ione-neutrali. Questo è esattamente ciò per cui è adatto questo apparato sperimentale del gruppo Lewandowski, per studiare non solo le reazioni chimiche ione-neutrali ma anche a temperature relativamente fredde."

Per iniziare l'esperimento, Krohn e altri membri del gruppo Lewandowski caricarono una trappola ionica in una camera ad altissimo vuoto con vari ioni. Le molecole neutre sono state introdotte separatamente. Sebbene conoscessero i reagenti utilizzati nell'esperimento chimico di tipo ISM, i ricercatori non erano sempre sicuri di quali prodotti sarebbero stati creati. A seconda del test, i ricercatori hanno utilizzato diversi tipi di ioni e molecole neutre simili a quelle dell'ISM. Ciò includeva CCl ⁺ ioni frammentati dal tetracloroetilene.

"CCl ⁺ è stato previsto che si trovi in ​​diverse regioni dello spazio. Ma nessuno è stato in grado di testare efficacemente la sua reattività con esperimenti sulla Terra perché è molto difficile da realizzare", aggiunge Krohn. "Devi scomporlo dal tetracloroetilene utilizzando laser UV. Questo crea tutti i tipi di frammenti ionici, non solo CCl ⁺ , il che può complicare le cose."

Sia che si utilizzi calcio o CCl ⁺ ioni, la configurazione sperimentale ha permesso ai ricercatori di filtrare gli ioni indesiderati utilizzando l'eccitazione risonante, lasciando dietro di sé i reagenti chimici desiderati.

"Puoi scuotere la trappola a una frequenza in risonanza con il rapporto massa-carica di un particolare ione, e questo li espelle dalla trappola", afferma Krohn.

Raffreddamento tramite laser per creare cristalli di Coulomb

Dopo il filtraggio, i ricercatori hanno raffreddato i loro ioni utilizzando un processo noto come raffreddamento Doppler. Questa tecnica utilizza la luce laser per ridurre il movimento di atomi o ioni, raffreddandoli efficacemente sfruttando l'effetto Doppler per rallentare preferenzialmente le particelle che si muovono verso il laser di raffreddamento.

Mentre il raffreddamento Doppler abbassava la temperatura delle particelle a livelli di millikelvin, gli ioni si organizzavano in una struttura pseudo-cristallina, il cristallo di Coulomb, tenuto in posizione dai campi elettrici all'interno della camera a vuoto. Il cristallo di Coulomb risultante aveva una forma ellissoidale con molecole più pesanti situate in un guscio all'esterno degli ioni calcio, spinte fuori dal centro della trappola dalle particelle più leggere a causa delle differenze nei loro rapporti massa/carica.

Grazie alla trappola profonda che contiene gli ioni, i cristalli di Coulomb possono rimanere intrappolati per ore e Krohn e il team possono immaginarli in questa trappola. Analizzando le immagini, i ricercatori hanno potuto identificare e monitorare la reazione in tempo reale, vedendo gli ioni organizzarsi in base ai rapporti massa/carica.

Il team ha anche determinato la dipendenza dallo stato quantico della reazione degli ioni calcio con l'ossido nitrico mettendo a punto i laser di raffreddamento, che hanno contribuito a produrre alcune popolazioni relative di stati quantistici degli ioni calcio intrappolati.

"La cosa divertente è che sfrutta una di queste tecniche più specifiche di fisica atomica per osservare le reazioni risolte quantistiche, che è un po' più, penso, dell'essenza fisica dei tre campi, chimica, astronomia e fisica, anche anche se tutti e tre sono ancora coinvolti", aggiunge Krohn.

Il tempismo è tutto

Oltre alla filtrazione della trappola e al raffreddamento Doppler, la terza tecnica sperimentale dei ricercatori li ha aiutati a emulare le reazioni ISM:la loro configurazione della spettrometria di massa a tempo di volo (TOF-MS). In questa parte dell'esperimento, un impulso ad alta tensione ha accelerato gli ioni lungo un tubo di volo, dove si sono scontrati con un rilevatore a piastra a microcanali. I ricercatori hanno potuto determinare quali particelle erano presenti nella trappola in base al tempo impiegato dagli ioni per colpire la piastra e alle loro tecniche di imaging.

"Per questo motivo, siamo stati in grado di condurre un paio di studi diversi in cui possiamo risolvere le masse vicine dei nostri ioni reagente e prodotto", aggiunge Krohn.

Questo terzo braccio dell'apparato sperimentale di chimica ISM ha migliorato ulteriormente la risoluzione poiché i ricercatori ora avevano diversi modi per determinare quali prodotti sono stati creati nelle reazioni di tipo ISM e le rispettive masse.

Calcolare la massa dei potenziali prodotti è stato particolarmente importante in quanto il team ha potuto quindi sostituire i reagenti iniziali con isotopologhi con masse diverse e vedere cosa succedeva.

Come spiega Krohn, "Ciò ci permette di fare trucchi interessanti come sostituire gli idrogeni con atomi di deuterio o sostituire atomi diversi con isotopi più pesanti. Quando lo facciamo, possiamo vedere dalla spettrometria di massa del tempo di volo come sono cambiati i nostri prodotti, che cosa ci dà più fiducia nella nostra conoscenza su come assegnare tali prodotti."

Poiché gli astrochimici hanno osservato nell'ISM più molecole contenenti deuterio di quanto ci si aspetterebbe dal rapporto atomico deuterio-idrogeno osservato, lo scambio di isotopi in esperimenti come questo consente ai ricercatori di fare un passo avanti nella determinazione del motivo per cui ciò potrebbe accadere.

"Penso che, in questo caso, ci permetta di avere un buon rilevamento di ciò che stiamo vedendo", dice Krohn. "E questo apre nuove porte."