Kristal Coulomb dikelilingi oleh molekul yang digunakan di laboratorium Lewandowski untuk mempelajari reaksi astrokimia. Kredit: Steven Burrows/Olivia Krohn dan grup Lewandowski
Para peneliti di Universitas Colorado Boulder telah mengembangkan eksperimen untuk mereplikasi reaksi kimia Medium Antarbintang, menggunakan teknik seperti pendinginan laser dan spektrometri massa untuk mengamati interaksi antara ion dan molekul.
Meski tidak terlihat seperti itu, ruang antarbintang di antara bintang-bintang sama sekali tidak kosong. Atom, ion, molekul, dan lainnya berada di lingkungan halus yang dikenal sebagai Medium Antarbintang (ISM). ISM telah memesona para ilmuwan selama beberapa dekade, karena setidaknya 200 molekul unik terbentuk di lingkungannya yang dingin dan bertekanan rendah. Ini adalah subjek yang menyatukan bidang kimia, fisika, dan astronomi, karena para ilmuwan dari masing-masing bidang bekerja untuk menentukan jenis reaksi kimia apa yang terjadi di sana.
Sekarang, dalam artikel sampul yang baru-baru ini diterbitkan Jurnal Kimia Fisika ARekan JILA dan Profesor Fisika Boulder Universitas Colorado Heather Lewandowski dan mantan mahasiswa pascasarjana JILA Olivia Krohn menyoroti pekerjaan mereka untuk meniru kondisi ISM dengan menggunakan kristal Coulomb, struktur kristal semu yang dingin, untuk mengamati ion dan molekul netral berinteraksi satu sama lain.
Dari eksperimen mereka, para peneliti menyelesaikan dinamika kimia dalam reaksi ion-netral dengan menggunakan pendinginan laser yang tepat dan spektrometri massa untuk mengontrol keadaan kuantum, sehingga memungkinkan mereka meniru reaksi kimia ISM dengan sukses. Pekerjaan mereka membawa para ilmuwan lebih dekat untuk menjawab beberapa pertanyaan paling mendalam tentang perkembangan kimiawi alam semesta.
Memfilter melalui Energi
“Para peneliti telah lama memikirkan reaksi kimia mana yang paling penting untuk memberitahu kita tentang susunan medium antarbintang,” jelas Krohn, penulis pertama makalah tersebut. “Kelompok yang sangat penting adalah reaksi molekul ion-netral. Itulah yang cocok untuk peralatan eksperimen kelompok Lewandowski, untuk mempelajari tidak hanya reaksi kimia yang ion-netralnya tetapi juga pada suhu yang relatif dingin.”
Untuk memulai percobaan, Krohn dan anggota kelompok Lewandowski lainnya memasukkan perangkap ion ke dalam ruang vakum ultra-tinggi dengan berbagai ion. Molekul netral diperkenalkan secara terpisah. Meskipun mereka mengetahui reaktan yang digunakan dalam eksperimen kimia tipe ISM, para peneliti tidak selalu yakin produk apa yang akan dihasilkan. Bergantung pada pengujian mereka, para peneliti menggunakan berbagai jenis ion dan molekul netral yang serupa dengan yang ada di ISM. Ini termasuk ion CCl+ yang terfragmentasi dari tetrakloroetilen.
“CCl+ telah diprediksi berada di wilayah luar angkasa yang berbeda. Namun belum ada yang mampu menguji reaktivitasnya secara efektif dengan eksperimen di Bumi karena sangat sulit untuk membuatnya,” tambah Krohn. “Anda harus memecahnya dari tetrakloroetilen menggunakan laser UV. Hal ini menciptakan semua jenis fragmen ion, bukan hanya CCl+, yang dapat memperumit masalah.”
Baik menggunakan ion kalsium atau CCl+, pengaturan eksperimental memungkinkan para peneliti untuk menyaring ion yang tidak diinginkan menggunakan eksitasi resonansi, sehingga meninggalkan reaktan kimia yang diinginkan.
“Anda dapat mengguncang perangkap pada frekuensi yang beresonansi dengan rasio massa terhadap muatan ion tertentu, dan ini akan mengeluarkan ion tersebut dari perangkap,” kata Krohn.
Pendinginan melalui Laser untuk Membuat Kristal Coulomb
Setelah penyaringan, para peneliti mendinginkan ion-ionnya menggunakan proses yang dikenal sebagai pendinginan Doppler. Teknik ini menggunakan sinar laser untuk mengurangi pergerakan atom atau ion, mendinginkannya secara efektif dengan memanfaatkan efek Doppler untuk memperlambat partikel yang bergerak menuju laser pendingin. Ketika pendinginan Doppler menurunkan suhu partikel ke tingkat milikelvin, ion-ion tersebut menyusun dirinya menjadi struktur kristal semu, kristal Coulomb, yang ditahan oleh medan listrik di dalam ruang vakum. Kristal Coulomb yang dihasilkan berbentuk ellipsoid dengan molekul yang lebih berat berada dalam cangkang di luar ion kalsium, didorong keluar dari pusat perangkap oleh partikel yang lebih ringan karena perbedaan rasio massa terhadap muatan.
Berkat perangkap dalam yang berisi ion-ion, kristal Coulomb dapat tetap terperangkap selama berjam-jam, dan Krohn serta tim dapat membayangkannya dalam perangkap ini. Dalam menganalisis gambar, para peneliti dapat mengidentifikasi dan memantau reaksi secara real time, melihat ion-ion mengatur dirinya berdasarkan rasio massa terhadap muatan.
Tim juga menentukan ketergantungan keadaan kuantum dari reaksi ion kalsium dengan oksida nitrat dengan menyempurnakan laser pendingin, yang membantu menghasilkan populasi relatif keadaan kuantum tertentu dari ion kalsium yang terperangkap.
“Yang menarik dari hal ini adalah teknik ini memanfaatkan salah satu teknik fisika atom yang lebih spesifik untuk melihat reaksi penyelesaian kuantum, yang menurut saya lebih dari esensi fisika dari tiga bidang, kimia, astronomi, dan fisika, bahkan meski ketiganya masih terlibat,” tambah Krohn.
Waktu adalah Segalanya
Selain filtrasi perangkap dan pendinginan Doppler, teknik eksperimental ketiga para peneliti membantu mereka meniru reaksi ISM: pengaturan spektrometri massa waktu penerbangan (TOF-MS). Pada bagian percobaan ini, pulsa tegangan tinggi mempercepat ion-ion ke dalam tabung penerbangan, lalu bertabrakan dengan detektor pelat saluran mikro. Para peneliti dapat menentukan partikel mana yang ada dalam perangkap berdasarkan waktu yang dibutuhkan ion untuk mencapai pelat dan teknik pencitraannya.
“Oleh karena itu, kami dapat melakukan beberapa penelitian berbeda di mana kami dapat menyelesaikan massa ion reaktan dan produk yang berdekatan,” tambah Krohn.
Bagian ketiga dari peralatan eksperimen kimia ISM ini meningkatkan resolusi lebih jauh karena para peneliti kini memiliki banyak cara untuk menentukan produk mana yang tercipta dalam reaksi tipe ISM dan massanya masing-masing.
Menghitung massa produk potensial sangat penting karena tim kemudian dapat mengganti reaktan awalnya dengan isotopolog dengan massa berbeda dan melihat apa yang terjadi.
Seperti yang dijelaskan Krohn, “Hal ini memungkinkan kita memainkan trik keren seperti mengganti hidrogen dengan atom deuterium atau mengganti atom berbeda dengan isotop yang lebih berat. Ketika kami melakukan hal tersebut, kami dapat melihat dari spektrometri massa waktu penerbangan bagaimana produk kami telah berubah, yang membuat kami lebih percaya diri dalam pengetahuan kami tentang cara menetapkan produk tersebut.”
Karena para ahli astrokimia telah mengamati lebih banyak molekul yang mengandung deuterium dalam ISM daripada yang diharapkan dari rasio atom deuterium terhadap hidrogen yang diamati, pertukaran isotop dalam eksperimen seperti ini memungkinkan para peneliti selangkah lebih dekat untuk menentukan mengapa hal ini bisa terjadi.
“Saya pikir, dalam hal ini, ini memungkinkan kita mendeteksi dengan baik apa yang kita lihat,” kata Krohn. “Dan itu membuka lebih banyak pintu.”
Referensi: “Reaksi Ion-Molekul Dingin di Lingkungan Ekstrim Kristal Coulomb” oleh OA Krohn dan HJ Lewandowski, 15 Februari 2024, Jurnal Kimia Fisika A.
DOI: 10.1021/acs.jpca.3c07546
Pekerjaan ini didukung oleh National Science Foundation dan Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara.
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
