Hladne molekule na putu sudara

You Bet Your Life: Secret Word - Water / Face / Window (Lipanj 2019).

Anonim

Kako kemijske reakcije nastaju pri ekstremno niskim temperaturama? Odgovor traži istragu molekularnih uzoraka koji su istodobno hladni, gusti i spori. Znanstvenici oko dr. Martin Zeppenfeld iz Odjela kvantne dinamike prof. Gerharda Rempaa na Max Planckovom institutu za kvantna optika u Garchingu sada su zauzeli važan korak u tom smjeru razvijanjem nove metode hlađenja: tzv. "Cryofuge" kombinira kriogenično hlađenje plinom s posebnim tipom centrifuge u kojem rotirajuća električna polja usporavaju prethodno ohlađene molekule do brzina manjih od 20 metara u sekundi.

Zbog visoke gustoće protoka, tim je uspio promatrati sudare između hladnih molekula. Za dva kemijska spoja s jakim momentom električnog dipoliranja određena je vjerojatnost sudara kao i njegova ovisnost o brzini i gustoći protoka (Science, 13. listopada 2017). Nova tehnika predstavlja prekretnicu za novo polje hladnoće i mogla bi otvoriti perspektivu prema kontroliranju i manipulaciji kemijskim putevima pri ekstremno niskim temperaturama.

Proizvodnja hladnih molekula pokazala se velikim izazovom: lasersko hlađenje - vrlo učinkovita metoda za atome - općenito ne djeluje na molekule jer imaju elektroničke države vibracijska i rotacijska stanja. S druge strane, veliki broj molekula, npr. Voda (H2O), ima neravnu distribuciju električne energije. Može se utjecati na molekule s takvim momentom električnog dipoliranja i time usporiti električnim poljima.

Tim MPQ-a uglavnom je eksperimentirao s fluorometanom (CH3F) i deuteriranim amonijakom (ND3). U početku, molekule imaju temperaturu od oko 200 Kelvina i brzinu od nekoliko stotina metara u sekundi. Kao prvi korak, molekule se termiraju s helijom ili neonskim puferom u plinskoj stanici s kriogenom puferom i ohladi se na 6 Kelvin (helij) i 17 Kelvin (neon). Iz kriogene okoline izvlače se savijeni elektrostatski kvadrupolski vodič. Kad izađu iz stanice pufera, njihova je brzina smanjena na 50 do 100 metara u sekundi. "Međutim, to nije samo brzina koja je važna", kaže dr. Martin Zeppenfeld, voditelj projekta. "S obzirom na molekularne sudare koje namjeravamo promatrati, presudno je da se tijekom tog procesa hlađenja i unutarnja stanja ohlade. Mogli bismo dokazati da se uzbuđuju samo vrlo malo i niskim rotacijskim i vibracijskim stanjima."

Ravnim vodičem molekule se prenose u drugi dio uređaja za hlađenje, centrifugirajući usporivač. "Promjenom napona za vođenje na ravnom vodiču možemo upravljati dubinom trape i time gustoće molekularnih zraka", objašnjava Thomas Gantner, doktorski kandidat na eksperimentu. "Što je veći napon, to je veća gustoća zraka. Ova vrsta kontrole je neophodna kako bi se bolje razumjelo mehanizmi iza hladnih dipolarnih sudara koje ćemo mjeriti nakon procesa usporavanja".

Ulaskom u centrifugu, molekule se prvo šire oko periferije u nepomičnom prstenu za pohranu promjera 40 centimetara koji se sastoji od dvije statične i dvije rotirajuće elektrode. Zatim rotirajući električni kvadrupolski vodič prikuplja molekule gotovo u bilo kojem trenutku oko prstena za pohranu i gura ih duž spiralnog oblika prema osi rotacije. Dakle, dok električna polja čine molekule u središtu diska, oni stalno moraju neutralizirati centrifugalnu silu induciranu kvadrupolskim vodičem koji rotira na 30 Hz, čime se neprekidno usporavaju molekule.

Konačni ravni vodič dovodi molekule u kvadrupolni maseni spektrometar gdje se analiziraju u vezi njihove brzine. "Molekule troše oko 25 milisekundi unutar kvadrupole vodiča", kaže Thomas Gantner. "Ovo im je dosta vremena za interakciju, a kod tih sudara molekule se gube. Analiza otkriva da se gubici povećavaju zbog smanjenja brzina i povećanja gustoće zraka. Procjena podataka uvelike se oslanja na modelne izračune koji učinili su Xing Wu, koji je prvi autor ovog rada i postigao doktorat na ovom eksperimentu. "

"Promatranje hladnih molekularnih sudara je prekretnica za polje hladnoće", naglašava dr. Zeppenfeld. "Generičko načelo koje se temelji na križanju omogućuje njegovu primjenu na širokom rasponu dipolarnih spojeva. Zamislimo mogućnost da se u budućnosti kemijske reakcije s dugim vremenima interakcije mogu ostvariti na vrlo niskim temperaturama."

Štoviše, kriptica bi mogla proširiti spektar istraživačkih tema koje ispituju hladno molekule. Na primjer, proizvedena hladna i polagana zraka proizvedenog metanola mogla bi biti idealna za mjerenje varijacija u omjeru protona i elektrona. Prema teorijskim predviđanjima to bi mogle biti uzrokovane interakcijom s tamnom tvari. Krioger također može poslužiti kao savršeni izvor za tekuće eksperimente s diatomskim molekulama koje se mogu hladi. S druge strane, dugotrajno i anizotropno spajanje dipola posreduje interakcije na mikrometarskim udaljenostima. To čini hladno polarne molekule osobito prikladne za primjenu u kvantnoj simulaciji ili kvantnom računanju. "Prvo promatranje sudara u hladnom plinu molekula koje se prirodno pojavljuju približava nam snage postizanja kompleksnog kvantnog plina poput Bose Einsteinovog kondenzata molekula vode", kaže prof. Gerhard Rempe.

menu
menu