Ahora, en el artículo de portada del Journal of Physical Chemistry A , Heather Lewandowski, miembro de JILA y profesora de Física de Boulder de la Universidad de Colorado, y Olivia Krohn, ex estudiante graduada de JILA, destacan su trabajo para imitar las condiciones ISM mediante el uso de cristales de Coulomb, una estructura pseudocristalina fría, para observar cómo los iones y las moléculas neutras interactúan entre sí. /P>

A partir de sus experimentos, los investigadores resolvieron la dinámica química en reacciones de iones neutros mediante el uso de enfriamiento láser preciso y espectrometría de masas para controlar los estados cuánticos, lo que les permitió emular con éxito reacciones químicas ISM. Su trabajo acerca a los científicos a responder algunas de las preguntas más profundas sobre el desarrollo químico del cosmos.

Filtrado por energía

"El campo lleva mucho tiempo pensando en qué reacciones químicas serán las más importantes para informarnos sobre la composición del medio interestelar", explica Krohn, el primer autor del artículo.

"Un grupo realmente importante son las reacciones de moléculas de iones neutros. Para eso exactamente es adecuado este aparato experimental del grupo Lewandowski, para estudiar no sólo reacciones químicas de iones neutros, sino también a temperaturas relativamente frías".

Para comenzar el experimento, Krohn y otros miembros del grupo de Lewandowski cargaron una trampa de iones en una cámara de ultra alto vacío con varios iones. Las moléculas neutras se introdujeron por separado. Si bien conocían los reactivos que intervienen en el experimento químico de tipo ISM, los investigadores no siempre estuvieron seguros de qué productos se crearían. Dependiendo de su prueba, los investigadores utilizaron diferentes tipos de iones y moléculas neutras similares a las del ISM. Esto incluía CCl ⁺ iones fragmentados del tetracloroetileno.

"CCl ⁺ Se ha predicho que estará en diferentes regiones del espacio. Pero nadie ha podido probar eficazmente su reactividad con experimentos en la Tierra porque es muy difícil de fabricar", añade Krohn. "Hay que descomponerlo del tetracloroetileno mediante láseres ultravioleta. Esto crea todo tipo de fragmentos de iones, no solo CCl ⁺ , lo que puede complicar las cosas."

Ya sea usando calcio o CCl ⁺ iones, 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 resonante con la relación masa-carga de un ion particular, y esto los expulsa de la trampa", dice Krohn.

Enfriamiento mediante láser para crear cristales de Coulomb

Después del filtrado, los investigadores enfriaron sus iones mediante un proceso conocido como enfriamiento Doppler. Esta técnica utiliza luz láser para reducir el movimiento de átomos o iones, enfriándolos eficazmente aprovechando el efecto Doppler para ralentizar preferentemente las partículas que se mueven hacia el láser de enfriamiento.

A medida que el enfriamiento Doppler redujo la temperatura de las partículas a niveles de mikelvin, los iones se organizaron en una estructura pseudocristalina, el cristal de Coulomb, mantenido en su lugar por los campos eléctricos dentro de la cámara de vacío. El cristal de Coulomb resultante tenía una forma elipsoide con moléculas más pesadas situadas en una capa fuera de los iones de calcio, expulsadas del centro de la trampa por las partículas más ligeras debido a las diferencias en sus 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 reacción en tiempo real, viendo cómo los iones se organizan en función de relaciones masa-carga.

El equipo también determinó la dependencia del estado cuántico de la reacción de los iones de calcio con el óxido nítrico mediante el ajuste de los láseres de enfriamiento, lo que ayudó a producir ciertas poblaciones relativas de estados cuánticos de los iones de calcio atrapados.

"Lo divertido de esto es que aprovecha una de estas técnicas de física atómica más específicas para observar reacciones resueltas cuánticas, que es un poco más, creo, de la esencia física de los tres campos:química, astronomía y física, incluso Aunque los tres siguen implicados", añade Krohn.

El tiempo lo es todo

Además de la filtración por trampa y el enfriamiento Doppler, la tercera técnica experimental de los investigadores les ayudó a emular las reacciones ISM:su configuración de espectrometría de masas de tiempo de vuelo (TOF-MS). En esta parte del experimento, un pulso de alto voltaje aceleró los iones hacia abajo por un tubo de vuelo, donde chocaron con un detector de placa de microcanal. Los investigadores pudieron determinar qué partículas estaban presentes en la trampa basándose en el tiempo que tardaron los iones en llegar a la placa y sus técnicas de obtención de imágenes.

"Gracias a esto, hemos podido realizar un par de estudios diferentes en los que podemos resolver masas vecinas de nuestros iones reactivos y productos", añade Krohn.

Este tercer brazo del aparato experimental de química ISM mejoró aún más la resolución, ya que los investigadores ahora tenían múltiples formas de determinar qué productos se crearon en las reacciones de tipo ISM y sus respectivas masas.

Calcular la masa de los productos potenciales fue especialmente importante ya que el equipo pudo luego cambiar sus reactivos iniciales por isotopólogos con diferentes masas y ver qué sucedía.

Como explica Krohn, "Eso nos permite realizar trucos interesantes como sustituir hidrógenos por átomos de deuterio o sustituir diferentes átomos por isótopos más pesados. Cuando hacemos eso, podemos ver en la espectrometría de masas de tiempo de vuelo cómo han cambiado nuestros productos, lo que nos da más confianza en nuestro conocimiento sobre cómo asignar cuáles son esos productos."

Dado que los astroquímicos han observado más moléculas que contienen deuterio en el ISM de lo que se esperaba a partir de la relación atómica deuterio-hidrógeno observada, el intercambio de isótopos en experimentos como este permite a los investigadores estar un paso más cerca de determinar por qué esto puede ser así.

"Creo que, en este caso, nos permite tener una buena detección de lo que estamos viendo", dice Krohn. "Y eso abre más puertas."