פתיחת סודות כימיה בחלל בעזרת גבישי קולומב קרים

חוקרים מאוניברסיטת קולורדו בולדר פיתחו ניסויים לשכפל את התגובות הכימיות של המדיום הבין-כוכבי, תוך שימוש בטכניקות כמו קירור לייזר וספקטרומטריית מסה כדי לצפות באינטראקציות בין יונים למולקולות.

למרות שזה אולי לא נראה כך, החלל הבין-כוכבי בין כוכבים רחוק מלהיות ריק. אטומים, יונים, מולקולות ועוד שוכנים בסביבה האתרית הזו המכונה המדיום הבין-כוכבי (ISM). ה-ISM ריתק מדענים במשך עשרות שנים, שכן לפחות 200 מולקולות ייחודיות נוצרות בסביבתו הקרה ובלחץ הנמוך. זה נושא שמקשר בין תחומי הכימיה, הפיזיקה והאסטרונומיה, כאשר מדענים מכל תחום עובדים כדי לקבוע אילו סוגי תגובות כימיות מתרחשות שם.

כעת, במאמר השער שפורסם לאחרונה של ה כתב עת לכימיה פיזיקלית אעמית JILA ופרופסור לפיזיקה באוניברסיטת קולורדו הת'ר לבנדובסקי וסטודנטית לתואר שני ב-JILA, אוליביה קרוהן, מדגישים את עבודתם כדי לחקות תנאי ISM על ידי שימוש בגבישי קולומב, מבנה פסאודו-גביש קר, כדי לצפות ביונים ומולקולות ניטרליות באינטראקציה זו עם זו.

מהניסויים שלהם, החוקרים פתרו דינמיקה כימית בתגובות ניטרליות ליונים על ידי שימוש בקירור לייזר מדויק ובספקטרומטריית מסה כדי לשלוט במצבים קוונטיים, ובכך אפשרו להם לחקות תגובות כימיות של ISM בהצלחה. עבודתם מקרבת מדענים לענות על כמה מהשאלות העמוקות ביותר על ההתפתחות הכימית של הקוסמוס.

סינון באמצעות אנרגיה

"התחום חשב זמן רב על אילו תגובות כימיות הולכות להיות החשובות ביותר לספר לנו על ההרכב של המדיום הבין-כוכבי", מסביר קרוהן, המחבר הראשון של המאמר. "קבוצה חשובה באמת מהן היא תגובות מולקולה ניטרליות ליונים. בדיוק בשביל זה מתאים מנגנון הניסוי הזה בקבוצת לבנדובסקי, לחקור לא רק תגובות כימיות ניטרליות ליונים אלא גם בטמפרטורות קרות יחסית".

כדי להתחיל את הניסוי, קרוהן וחברים נוספים בקבוצת לבנדובסקי העמיסו מלכודת יונים בתא ואקום גבוה במיוחד עם יונים שונים. מולקולות ניטרליות הוכנסו בנפרד. בעוד שהם הכירו את המגיבים הנכנסים לניסוי הכימי מסוג ISM, החוקרים לא תמיד היו בטוחים אילו מוצרים ייווצרו. בהתאם לבדיקה שלהם, החוקרים השתמשו בסוגים שונים של יונים ומולקולות ניטרליות הדומות לאלו שב-ISM. זה כלל יוני CCl+ מפוצלים מטטרכלורואתילן.

"צפי כי CCl+ נמצא באזורים שונים בחלל. אבל אף אחד לא הצליח לבחון ביעילות את התגובתיות שלו עם ניסויים על פני כדור הארץ כי זה כל כך קשה לעשות", מוסיף קרוהן. "אתה צריך לפרק אותו מטטרכלוראתילן באמצעות לייזרים UV. זה יוצר כל מיני שברי יונים, לא רק CCl+, שיכולים לסבך דברים".

בין אם משתמשים ביוני סידן או CCl+, מערך הניסוי אפשר לחוקרים לסנן יונים לא רצויים באמצעות עירור תהודה, תוך השארת המגיבים הכימיים הרצויים מאחור.
"אתה יכול לנער את המלכודת בתדר תהודה עם יחס המסה למטען של יון מסוים, וזה מוציא אותם מהמלכודת", אומר קרוהן.

קירור באמצעות לייזר ליצירת גבישי קולומב

לאחר סינון, החוקרים קיררו את היונים שלהם באמצעות תהליך המכונה קירור דופלר. טכניקה זו משתמשת באור לייזר כדי להפחית את תנועתם של אטומים או יונים, ובכך מקררת אותם ביעילות על ידי ניצול אפקט הדופלר להאטה עדיפה של חלקיקים הנעים לעבר הלייזר המתקרר. כאשר קירור הדופלר הוריד את הטמפרטורות של החלקיקים לרמות מילקלווין, היונים התארגנו למבנה פסאודו-גבישי, גביש קולומב, המוחזק במקומו על ידי השדות החשמליים בתוך תא הוואקום. גביש הקולומב שהתקבל היה צורה אליפסואידית עם מולקולות כבדות יותר שישבו בקליפה מחוץ ליוני הסידן, שנדחקו אל מחוץ למרכז המלכודת על ידי החלקיקים הקלים יותר בשל ההבדלים ביחסי המסה למטען שלהם.

הודות למלכודת העמוקה המכילה את היונים, גבישי הקולומב יכולים להישאר כלואים במשך שעות, וקרוהן והצוות יכולים לדמיין אותם במלכודת הזו. בניתוח התמונות, החוקרים יכלו לזהות ולנטר את התגובה בזמן אמת, לראות את היונים מתארגנים על סמך יחסי מסה למטען.

הצוות גם קבע את התלות במצב הקוונטית של התגובה של יוני סידן עם תחמוצת החנקן על ידי כוונון עדין של הלייזרים המתקררים, מה שעזר לייצר אוכלוסיות יחסיות מסוימות של מצבים קוונטיים של יוני הסידן הכלואים.

"מה שכיף בזה זה שהוא ממנף את אחת מהטכניקות היותר ספציפיות של הפיזיקה האטומית כדי להסתכל על תגובות פתורות קוונטיות, שזה קצת יותר, לדעתי, מהמהות הפיזיקלית של שלושת התחומים, כימיה, אסטרונומיה ופיזיקה, אפילו למרות ששלושתם עדיין מעורבים", מוסיף קרוהן.

תזמון הוא הכל

מלבד סינון מלכודות וקירור דופלר, הטכניקה הניסויית השלישית של החוקרים עזרה להם לחקות את תגובות ה-ISM: התקנת ספקטרומטריית המסה בזמן הטיסה (TOF-MS) שלהם. בחלק זה של הניסוי, דופק במתח גבוה האיץ את היונים במורד צינור טיסה, שם הם התנגשו בגלאי לוחות מיקרו-ערוציים. החוקרים יכלו לקבוע אילו חלקיקים נמצאים במלכודת על סמך הזמן שלקח ליונים לפגוע בצלחת וטכניקות ההדמיה שלהם.

"בגלל זה, הצלחנו לעשות כמה מחקרים שונים שבהם נוכל לפתור מסות שכנות של יוני התגובה והמוצר שלנו," מוסיף קרוהן.

זרוע שלישית זו של מנגנון הניסוי של ISM-כימיה שיפרה את הרזולוציה עוד יותר, שכן לחוקרים היו כעת מספר דרכים לקבוע אילו מוצרים נוצרו בתגובות מסוג ISM והמסות שלהם.

חישוב המסה של התוצרים הפוטנציאליים היה חשוב במיוחד מכיוון שהצוות יכול היה להחליף את המגיבים הראשוניים שלהם עם איזוטפולוגים בעלי מסות שונות ולראות מה קרה.

כפי שקרוהן מפרט, "זה מאפשר לנו לשחק טריקים מגניבים כמו החלפת מימנים באטומי דאוטריום או החלפת אטומים שונים באיזוטופים כבדים יותר. כשאנחנו עושים את זה, אנחנו יכולים לראות מספקטרומטריית המסה בזמן הטיסה כיצד המוצרים שלנו השתנו, מה שנותן לנו ביטחון רב יותר בידע שלנו כיצד להקצות מה הם המוצרים האלה."

מכיוון שאסטרוכימאים צפו יותר מולקולות המכילות דאוטריום ב-ISM מהצפוי מהיחס האטומי-דיוטריום-מימן שנצפה, החלפת איזוטופים בניסויים כמו זה מאפשרת לחוקרים להתקרב צעד אחד לקביעה מדוע זה עשוי להיות.

"אני חושב שבמקרה הזה זה מאפשר לנו זיהוי טוב של מה שאנחנו רואים", אומר קרוהן. "וזה פותח עוד דלתות."

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע ומשרד חיל האוויר למחקר מדעי.