Como as reações químicas ocorrem em temperaturas extremamente baixas? A resposta requer a investigação de amostras moleculares que são frias, denso, e lento ao mesmo tempo. Cientistas em torno do Dr. Martin Zeppenfeld da Divisão de Dinâmica Quântica do Prof. Gerhard Rempe no Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching agora deram um passo importante nessa direção, desenvolvendo um novo método de resfriamento:as chamadas "criofugas" combinam O resfriamento de gás tampão criogênico com um tipo especial de centrífuga em que campos elétricos rotativos desaceleram as moléculas pré-resfriadas a velocidades de menos de 20 metros por segundo.

Devido às altas densidades de fluxo que foram atingidas, a equipe conseguiu observar colisões entre as moléculas de frio. Para dois compostos químicos com um forte momento de dipolo elétrico, a probabilidade de colisão, bem como sua dependência da velocidade e densidade de fluxo foi assim determinada ( Ciência , 13 de outubro de 2017). A nova técnica é um marco para o campo emergente da química fria e pode abrir a perspectiva para controlar e manipular vias químicas em temperaturas extremamente baixas.

A produção de moléculas frias tem se mostrado um grande desafio:resfriamento a laser - um método muito eficiente para átomos - em geral não funciona para moléculas porque apresentam estados vibracional e rotacional além dos estados eletrônicos. Por outro lado, um grande número de moléculas, por exemplo. água (H2O), possuem uma distribuição de carga elétrica desigual. Moléculas com tal momento de dipolo elétrico podem ser influenciadas e, portanto, desaceleradas por campos elétricos.

A equipe MPQ experimentou principalmente com fluorometano (CH3F) e amônia deuterada (ND3). Inicialmente, as moléculas têm uma temperatura de cerca de 200 Kelvin e uma velocidade de várias centenas de metros por segundo. Como primeiro passo, as moléculas se termalizam com um gás tampão de hélio ou néon na célula de gás tampão criogênico e são resfriadas a 6 Kelvin (hélio) e 17 Kelvin (néon), respectivamente. Eles são extraídos do ambiente criogênico por um guia quadrupolo eletrostático dobrado. Quando eles saem da célula de gás tampão, sua velocidade foi reduzida para 50 a 100 metros por segundo. "Contudo, não é apenas a velocidade que importa, "diz o Dr. Martin Zeppenfeld, líder do projeto. "Em relação às colisões moleculares que pretendemos observar é crucial que durante este processo de resfriamento também os estados internos estejam sendo resfriados. Podemos provar que apenas muito poucos e baixos estados de rotação e vibração são excitados."

Por uma guia reta, as moléculas são transferidas para a segunda parte do dispositivo de resfriamento, o desacelerador da centrífuga. "Variando a voltagem de orientação na guia reta, podemos controlar a profundidade da armadilha e, portanto, as densidades do feixe molecular, "explica Thomas Gantner, doutorando do experimento. "Quanto maior a voltagem, quanto maior a densidade do feixe. Esse tipo de controle é necessário para entender melhor os mecanismos por trás das colisões dipolares frias que vamos medir após o processo de desaceleração. "

Entrando na centrífuga, as moléculas se propagam primeiro em torno da periferia em um anel de armazenamento estacionário com um diâmetro de 40 centímetros composto por dois eletrodos estáticos e dois rotativos. Em seguida, um guia quadrupolo elétrico giratório pega as moléculas quase em qualquer ponto ao redor do anel de armazenamento e as empurra ao longo de sua forma espiral em direção ao eixo de rotação. Assim, enquanto os campos elétricos fazem as moléculas se moverem para o centro do disco, eles constantemente têm que neutralizar a força centrífuga induzida pelo guia quadrupolo que gira a 30 Hertz, assim, continuamente desacelerando as moléculas.

Uma guia reta final leva as moléculas a um espectrômetro de massa quadrupolo, onde são analisadas quanto à sua velocidade. "As moléculas passam cerca de 25 milissegundos dentro do guia quadrupolo, "diz Thomas Gantner." É tempo de sobra para eles interagirem, e nessas colisões, moléculas estão sendo perdidas. A análise revela que as perdas aumentam à medida que diminuem as velocidades e aumentam as densidades do feixe. A avaliação dos dados depende em grande medida dos cálculos do modelo que foram feitos por Xing Wu, que é o primeiro autor deste trabalho e obteve seu doutorado nesta experiência. "

"A observação de colisões moleculares frias é um marco para o campo da química fria, "enfatiza o Dr. Zeppenfeld." O princípio genérico subjacente à criofuge permite sua aplicação a uma ampla gama de compostos dipolares. Prevemos a possibilidade de que, no futuro, reações químicas com longos tempos de interação possam ser realizadas em temperaturas muito baixas. "

Além disso, a criocentrifugação pode estender a gama de tópicos de pesquisa que os experimentos com moléculas de frio oferecem. Por exemplo, o feixe frio e lento de metanol produzido poderia ser idealmente adequado para medir variações na razão de massa próton-elétron. De acordo com as previsões teóricas, isso pode ser causado pela interação com a matéria escura. A criocentrifugação também pode servir como uma fonte perfeita para experimentos em andamento com moléculas diatômicas resfriáveis ​​a laser. Por outro lado, o acoplamento dipolo anisotrópico e de longo alcance medeia interações em distâncias micrométricas. Isso torna as moléculas polares frias particularmente adequadas para aplicações em simulação quântica ou computação quântica. "A primeira observação de colisões em um gás frio de moléculas que ocorrem naturalmente nos aproxima do sonho de alcançar um gás quântico complexo, como um condensado de Bose Einstein de moléculas de água, "diz o Prof. Gerhard Rempe.