Embora possa não parecer, o espaço interestelar entre as estrelas está longe de estar vazio. Átomos, íons, moléculas e muito mais residem neste ambiente etéreo conhecido como Meio Interestelar (ISM). O ISM fascina os cientistas há décadas, à medida que pelo menos 200 moléculas únicas se formam no seu ambiente frio e de baixa pressão. É um assunto que une os campos da química, física e astronomia, à medida que cientistas de cada área trabalham para determinar que tipos de reações químicas acontecem ali.



Agora, no artigo de capa do Journal of Physical Chemistry A , JILA Fellow e professora de física em Boulder da Universidade do Colorado, Heather Lewandowski, e a ex-aluna de pós-graduação da JILA, Olivia Krohn, destacam seu trabalho para imitar as condições ISM usando cristais de Coulomb, uma estrutura pseudo-cristalina fria, para observar íons e moléculas neutras interagindo entre si.

A partir de seus experimentos, os pesquisadores resolveram a dinâmica química em reações neutras em íons usando resfriamento preciso a laser e espectrometria de massa para controlar estados quânticos, permitindo-lhes assim emular reações químicas ISM com sucesso. O seu trabalho aproxima os cientistas da resposta a algumas das questões mais profundas sobre o desenvolvimento químico do cosmos.

Filtragem por energia

“O campo tem pensado há muito tempo sobre quais reações químicas serão as mais importantes para nos contar sobre a composição do meio interestelar”, explica Krohn, o primeiro autor do artigo.

"Um grupo realmente importante deles são as reações de moléculas neutras em íons. É exatamente para isso que este aparato experimental do grupo Lewandowski é adequado, para estudar não apenas reações químicas neutras em íons, mas também em temperaturas relativamente frias."

Para iniciar o experimento, Krohn e outros membros do grupo Lewandowski carregaram uma armadilha de íons em uma câmara de ultra-alto vácuo com vários íons. Moléculas neutras foram introduzidas separadamente. Embora conhecessem os reagentes utilizados no experimento químico do tipo ISM, os pesquisadores nem sempre tinham certeza de quais produtos seriam criados. Dependendo do teste, os pesquisadores usaram diferentes tipos de íons e moléculas neutras semelhantes às do ISM. Isso incluiu CCl ⁺ íons fragmentados do tetracloroetileno.

"CCl ⁺ foi previsto que estaria em diferentes regiões do espaço. Mas ninguém foi capaz de testar efetivamente sua reatividade com experimentos na Terra porque é muito difícil de fazer", acrescenta Krohn. "É preciso decompô-lo do tetracloroetileno usando lasers UV. Isso cria todos os tipos de fragmentos de íons, não apenas CCl ⁺ , o que pode complicar as coisas."

Seja usando cálcio ou CCl ⁺ íons, a configuração experimental permitiu que os pesquisadores filtrassem íons indesejados usando excitação ressonante, deixando para trás os reagentes químicos desejados.

"Você pode agitar a armadilha em uma frequência ressonante com a relação massa-carga de um íon específico, e isso os ejeta da armadilha", diz Krohn.

Resfriamento via laser para criar cristais de Coulomb

Após a filtragem, os pesquisadores resfriaram seus íons usando um processo conhecido como resfriamento Doppler. Esta técnica usa luz laser para reduzir o movimento de átomos ou íons, resfriando-os efetivamente, explorando o efeito Doppler para desacelerar preferencialmente as partículas que se movem em direção ao laser de resfriamento.

À medida que o resfriamento Doppler baixou a temperatura das partículas para níveis de milikelvin, os íons se organizaram em uma estrutura pseudocristalina, o cristal de Coulomb, mantido no lugar pelos campos elétricos dentro da câmara de vácuo. O cristal de Coulomb resultante tinha uma forma elipsóide com moléculas mais pesadas situadas em uma concha fora dos íons de cálcio, empurradas para fora do centro da armadilha pelas partículas mais leves devido às diferenças em suas relações massa-carga.

Graças à armadilha profunda que contém os íons, os cristais de Coulomb podem permanecer presos por horas, e Krohn e sua equipe podem imaginá-los nesta armadilha. Ao analisar as imagens, os pesquisadores puderam identificar e monitorar a reação em tempo real, vendo os íons se organizarem com base na relação massa-carga.

A equipe também determinou a dependência do estado quântico da reação dos íons de cálcio com o óxido nítrico, ajustando os lasers de resfriamento, o que ajudou a produzir certas populações relativas de estados quânticos dos íons de cálcio aprisionados.

"O que é divertido nisso é que ele aproveita uma dessas técnicas mais específicas da física atômica para observar reações quânticas resolvidas, o que é um pouco mais, eu acho, da essência física dos três campos, química, astronomia e física, até mesmo embora todos os três ainda estejam envolvidos", acrescenta Krohn.

O tempo é tudo

Além da filtração por armadilha e do resfriamento Doppler, a terceira técnica experimental dos pesquisadores os ajudou a emular as reações ISM:sua configuração de espectrometria de massa de tempo de voo (TOF-MS). Nesta parte do experimento, um pulso de alta tensão acelerou os íons por um tubo de voo, onde colidiram com um detector de placa de microcanais. Os pesquisadores puderam determinar quais partículas estavam presentes na armadilha com base no tempo que os íons levaram para atingir a placa e em suas técnicas de imagem.

“Por causa disso, conseguimos fazer alguns estudos diferentes onde podemos resolver massas vizinhas de nossos reagentes e íons produtos”, acrescenta Krohn.

Este terceiro braço do aparato experimental de química ISM melhorou ainda mais a resolução, já que os pesquisadores agora tinham múltiplas maneiras de determinar quais produtos foram criados nas reações do tipo ISM e suas respectivas massas.

O cálculo da massa dos produtos potenciais foi especialmente importante, pois a equipe poderia então trocar seus reagentes iniciais por isotopólogos com massas diferentes e ver o que acontecia.

Como Krohn elabora, "Isso nos permite fazer truques interessantes, como substituir hidrogênios por átomos de deutério ou substituir átomos diferentes por isótopos mais pesados. Quando fazemos isso, podemos ver pela espectrometria de massa de tempo de voo como nossos produtos mudaram, o que nos dá mais confiança em nosso conhecimento de como atribuir quais são esses produtos."

Como os astroquímicos observaram mais moléculas contendo deutério no ISM do que o esperado a partir da razão atômica entre deutério e hidrogênio observada, a troca de isótopos em experimentos como este permite que os pesquisadores cheguem um passo mais perto de determinar por que isso pode acontecer.

“Acho que, neste caso, nos permite ter uma boa detecção do que estamos vendo”, diz Krohn. "E isso abre mais portas."

Mais informações: OA 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
Informações do diário: Jornal de Físico-Química A

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