欢迎来到进口食品商务网！

库仑晶体被莱万多夫斯基实验室用来研究天体化学反应的分子包围着。图片来源:Steven Burrows/Olivia Krohn和Lewandowski小组

科罗拉多大学博尔德分校的研究人员已经开发出实验来复制星际介质的化学反应，使用激光冷却和质谱等技术来观察离子和分子之间的相互作用。

虽然看起来不像，但恒星之间的星际空间远不是空的。原子、离子、分子以及更多存在于这个被称为星际介质(ISM)的空灵环境中。几十年来，ISM一直吸引着科学家，因为至少有200种独特的分子在其寒冷的低压环境中形成。这是一门将化学、物理和天文学领域联系在一起的学科，因为来自每个领域的科学家都在努力确定那里发生了什么类型的化学反应。

现在，在最近出版的《物理化学杂志A》的封面文章中，JILA研究员和科罗拉多大学博尔德分校物理学教授Heather Lewandowski和前JILA研究生Olivia Krohn强调了他们通过使用库仑晶体(一种冷的伪晶体结构)来模拟ISM条件的工作，以观察离子和中性分子之间的相互作用。

从他们的实验中，研究人员通过使用精确的激光冷却和质谱法来控制量子态，从而解决了离子中性反应中的化学动力学，从而使他们能够成功地模拟ISM化学反应。他们的工作使科学家们更接近于回答一些关于宇宙化学发展的最深刻的问题。

能量滤波

该论文的第一作者克罗恩解释说:“这个领域长期以来一直在思考，哪些化学反应对我们了解星际介质的组成最重要。”“其中非常重要的一组是离子中性分子反应。这正是莱万多夫斯基小组的实验装置所适合的，不仅可以研究离子中性化学反应，还可以研究相对较冷的温度下的化学反应。”

为了开始实验，克罗恩和莱万多夫斯基小组的其他成员在超高真空室中装载了一个离子阱，里面装有各种离子。中性分子分别引入。虽然他们知道进入ism类型化学实验的反应物，但研究人员并不总是确定会产生什么产物。根据他们的测试，研究人员使用了不同类型的离子和中性分子，类似于ISM中的离子和中性分子。这包括四氯乙烯碎片化的CCl+离子。

“据预测，CCl+会出现在太空的不同区域。但是没有人能够在地球上用实验有效地测试它的反应性，因为它很难制造，”克罗恩补充道。“你必须用紫外激光把它从四氯乙烯中分解出来。这会产生各种各样的离子碎片，而不仅仅是CCl+，这会使事情变得复杂。”

无论是使用钙离子还是CCl+离子，实验装置都允许研究人员使用共振激发过滤掉不需要的离子，留下所需的化学反应物。“你可以在与特定离子的质荷比共振的频率上摇动陷阱，这将它们从陷阱中弹出，”Krohn说。

通过激光冷却创造库仑晶体

过滤后，研究人员使用一种称为多普勒冷却的过程冷却离子。这项技术使用激光来减少原子或离子的运动，通过利用多普勒效应来优先减缓粒子向冷却激光移动，从而有效地冷却它们。当多普勒冷却将粒子的温度降低到毫开尔文水平时，离子将自己排列成一种伪晶体结构，即库仑晶体，由真空室中的电场固定在原地。由此产生的库仑晶体是一个椭球形状，较重的分子位于钙离子外面的壳层中，由于质量电荷比的差异，较轻的粒子将其推出陷阱中心。

由于含有离子的深阱，库仑晶体可以被困几个小时，克罗恩和他的团队可以在这个陷阱中对它们进行成像。在分析图像时，研究人员可以实时识别和监测反应，看到离子根据质量电荷比自行组织。

研究小组还通过微调冷却激光器确定了钙离子与一氧化氮反应的量子态依赖性，这有助于产生被捕获钙离子的量子态的某些相对种群。

“有趣的是，它利用了一种更具体的原子物理技术来观察量子分解反应，我认为，这更像是化学、天文学和物理学这三个领域的物理本质，尽管这三个领域仍然涉及到，”克罗恩补充道。

时机决定一切

除了陷阱过滤和多普勒冷却，研究人员的第三个实验技术帮助他们模拟了ISM反应:他们的飞行时间质谱(TOF-MS)装置。在这部分实验中，高压脉冲加速离子沿飞行管向下，在那里它们与微通道板探测器相撞。研究人员可以根据离子撞击平板所需的时间和成像技术来确定哪些粒子存在于陷阱中。

“正因为如此，我们已经能够做一些不同的研究，我们可以解决相邻质量的反应物和产物离子，”Krohn补充说。

ism化学实验装置的第三支臂进一步提高了分辨率，因为研究人员现在有多种方法来确定ism型反应中产生的产物及其各自的质量。

计算潜在产物的质量尤为重要，因为研究小组可以用不同质量的同位素物替换初始反应物，看看会发生什么。

正如克罗恩所阐述的那样，“这让我们可以玩一些很酷的把戏，比如用氘原子取代氢，或者用更重的同位素取代不同的原子。当我们这样做时，我们可以从飞行时间质谱分析中看到我们的产品是如何变化的，这让我们对如何分配这些产品的知识更有信心。”

由于天体化学家在ISM中观察到的含氘分子比从观察到的原子氘氢比中预期的要多，在这样的实验中交换同位素使研究人员更接近于确定这可能是为什么。

“我认为，在这种情况下，它使我们能够很好地检测到我们所看到的东西，”克罗恩说。“这就打开了更多的大门。”

参考文献:“库仑晶体极端环境下的冷离子-分子反应”，作者O. a. Krohn和H. J. Lewandowski, 2024年2月15日，物理化学杂志a. DOI: 10.1021/acs.jpca.3c07546

这项工作得到了美国国家科学基金会和空军科学研究办公室的支持。