Les cristaux coulombiens sont entourés de molécules utilisées dans le laboratoire Lewandowski pour étudier les réactions astrochimiques. Crédit : Steven Burrows/Olivia Krohn et le groupe Lewandowski
Des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder ont développé des expériences pour reproduire les réactions chimiques du milieu interstellaire, en utilisant des techniques telles que le refroidissement laser et la spectrométrie de masse pour observer les interactions entre les ions et les molécules.
Même si cela n’en a pas l’air, l’espace interstellaire entre les étoiles est loin d’être vide. Les atomes, les ions, les molécules et bien plus encore résident dans cet environnement éthéré connu sous le nom de milieu interstellaire (ISM). L’ISM fascine les scientifiques depuis des décennies, car au moins 200 molécules uniques se forment dans son environnement froid et basse pression. C'est un sujet qui relie les domaines de la chimie, de la physique et de l'astronomie, car les scientifiques de chaque domaine travaillent pour déterminer quels types de réactions chimiques s'y produisent.
Maintenant, dans l'article de couverture récemment publié du Journal de chimie physique AHeather Lewandowski, boursière de la JILA et professeure de physique à Boulder à l'Université du Colorado, et Olivia Krohn, ancienne étudiante diplômée de la JILA, mettent en avant leur travail visant à imiter les conditions ISM en utilisant des cristaux de Coulomb, une structure pseudo-cristalline froide, pour observer les ions et les molécules neutres interagir les uns avec les autres.
À partir de leurs expériences, les chercheurs ont résolu la dynamique chimique dans les réactions ioniques neutres en utilisant un refroidissement laser précis et une spectrométrie de masse pour contrôler les états quantiques, leur permettant ainsi d'émuler avec succès les réactions chimiques ISM. Leurs travaux rapprochent les scientifiques de la réponse à certaines des questions les plus profondes sur le développement chimique du cosmos.
Filtrage via l'énergie
« Le domaine réfléchit depuis longtemps aux réactions chimiques qui seront les plus importantes pour nous renseigner sur la composition du milieu interstellaire », explique Krohn, le premier auteur de l'article. « Les réactions moléculaires ioniques neutres constituent un groupe très important d’entre elles. C'est exactement à cela que sert cet appareil expérimental du groupe Lewandowski : étudier non seulement les réactions chimiques ioniques neutres, mais également à des températures relativement froides.
Pour commencer l'expérience, Krohn et d'autres membres du groupe Lewandowski ont chargé un piège à ions dans une chambre à ultra-vide avec divers ions. Les molécules neutres ont été introduites séparément. Même s'ils connaissaient les réactifs utilisés dans l'expérience chimique de type ISM, les chercheurs n'étaient pas toujours certains des produits qui seraient créés. En fonction de leur test, les chercheurs ont utilisé différents types d’ions et de molécules neutres similaires à ceux de l’ISM. Cela incluait les ions CCl+ fragmentés du tétrachloroéthylène.
« Il a été prévu que CCl+ se trouverait dans différentes régions de l’espace. Mais personne n'a pu tester efficacement sa réactivité avec des expériences sur Terre, car c'est très difficile à réaliser », ajoute Krohn. « Il faut le décomposer à partir du tétrachloroéthylène à l'aide de lasers UV. Cela crée toutes sortes de fragments d’ions, pas seulement CCl+, ce qui peut compliquer les choses.
Qu'il s'agisse d'ions calcium ou d'ions CCl+, le dispositif expérimental a permis aux chercheurs de filtrer les ions indésirables à l'aide d'une excitation résonante, laissant derrière eux les réactifs chimiques souhaités.
« Vous pouvez secouer le piège à une fréquence de résonance avec le rapport masse/charge d'un ion particulier, ce qui les éjecte du piège », explique Krohn.
Refroidissement via laser pour créer des cristaux coulombiens
Après filtration, les chercheurs ont refroidi leurs ions en utilisant un processus appelé refroidissement Doppler. Cette technique utilise la lumière laser pour réduire le mouvement des atomes ou des ions, les refroidissant efficacement en exploitant l'effet Doppler pour ralentir préférentiellement les particules se déplaçant vers le laser de refroidissement. Alors que le refroidissement Doppler abaissait la température des particules jusqu'à des niveaux millikelvins, les ions se sont arrangés en une structure pseudo-cristalline, le cristal de Coulomb, maintenu en place par les champs électriques à l'intérieur de la chambre à vide. Le cristal coulombien résultant avait une forme ellipsoïde avec des molécules plus lourdes situées dans une coquille à l'extérieur des ions calcium, poussées hors du centre du piège par les particules plus légères en raison des différences dans leurs rapports masse/charge.
Grâce au piège profond qui contient les ions, les cristaux coulombiens peuvent rester piégés pendant des heures, et Krohn et son équipe peuvent les imager dans ce piège. En analysant les images, les chercheurs ont pu identifier et surveiller la réaction en temps réel, en voyant les ions s'organiser en fonction de rapports masse/charge.
L’équipe a également déterminé la dépendance de la réaction des ions calcium avec l’oxyde nitrique à l’état quantique en affinant les lasers de refroidissement, ce qui a permis de produire certaines populations relatives d’états quantiques des ions calcium piégés.
« Ce qui est amusant, c'est que cela exploite l'une de ces techniques de physique atomique plus spécifiques pour examiner les réactions quantiques résolues, ce qui correspond un peu plus, je pense, à l'essence physique des trois domaines, la chimie, l'astronomie et la physique, même même si tous les trois sont toujours impliqués », ajoute Krohn.
Le timing est tout
Outre la filtration par piège et le refroidissement Doppler, la troisième technique expérimentale des chercheurs les a aidés à imiter les réactions ISM : leur configuration de spectrométrie de masse à temps de vol (TOF-MS). Dans cette partie de l’expérience, une impulsion à haute tension a accéléré les ions dans un tube de vol, où ils sont entrés en collision avec un détecteur à plaque à microcanaux. Les chercheurs ont pu déterminer quelles particules étaient présentes dans le piège en fonction du temps nécessaire aux ions pour atteindre la plaque et de leurs techniques d'imagerie.
« Grâce à cela, nous avons pu réaliser plusieurs études différentes dans lesquelles nous pouvons résoudre les masses voisines de nos réactifs et de nos ions produits », ajoute Krohn.
Ce troisième bras de l'appareil expérimental de chimie ISM a encore amélioré la résolution, car les chercheurs disposaient désormais de plusieurs moyens pour déterminer quels produits étaient créés dans les réactions de type ISM et leurs masses respectives.
Le calcul de la masse des produits potentiels était particulièrement important, car l'équipe pouvait alors remplacer ses réactifs initiaux par des isotopologues de masses différentes et voir ce qui se passait.
Comme l’explique Krohn : « Cela nous permet de jouer des tours sympas comme remplacer les hydrogènes par des atomes de deutérium ou remplacer différents atomes par des isotopes plus lourds. Lorsque nous faisons cela, nous pouvons voir, grâce à la spectrométrie de masse à temps de vol, comment nos produits ont changé, ce qui nous donne plus de confiance dans notre connaissance de la façon d'attribuer ce que sont ces produits.
Comme les astrochimistes ont observé plus de molécules contenant du deutérium dans l'ISM que ne le laisse prévoir le rapport atomique deutérium/hydrogène observé, l'échange d'isotopes dans des expériences comme celle-ci permet aux chercheurs de faire un pas de plus vers la détermination de la raison.
« Je pense que, dans ce cas, cela nous permet d'avoir une bonne détection de ce que nous voyons », explique Krohn. « Et cela ouvre plus de portes. »
Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation et le Bureau de la recherche scientifique de l’Air Force.
