Minuscule bewegingen van moleculen in het lab bestuderen om ruimte-mysteries te ontrafelen
UvA onderzoeker Wybren Jan Buma en HEML-FELIX onderzoeker Piero Ferrari Ramirez in het lab
Hoewel de molecuuldichtheid in de ruimte ongelooflijk laag kan zijn, zorgen de immense tijdschalen van het universum ervoor dat moleculen elkaar uiteindelijk ontmoeten en interacties aangaan. Ze worden voornamelijk aangetroffen in moleculaire wolken, waar onder de juiste omstandigheden nieuwe planeten en sterren ontstaan. Maar de exacte processen die leiden tot de vorming van planeten zoals de aarde uit individueel rondzwevende moleculen zijn nog grotendeels in nevelen gehuld.
Daarom willen we begrijpen welke moleculen in de ruimte aanwezig zijn, wat hun structuur is en hoe ze met elkaar reageren. We kunnen helaas niet zomaar de ruimte ingaan om deze moleculen even op te scheppen. In plaats daarvan gebruiken we ruimtetelescopen, zoals de geavanceerde James Webb Space Telescope (JWST), om de moleculaire wolken op afstand te bestuderen. Maar daarvoor moeten we wel weten waarnaar we moeten zoeken in astronomische waarnemingen. Om die reden proberen we achter de “vingerafdruk” van mogelijke ruimtemoleculen te komen.
Ruimteomstandigheden nabootsen in het lab
Om moleculen in de ruimte beter te begrijpen, proberen onderzoekers ruimte-achtige omstandigheden in het lab na te bootsen. ‘Dat betekent het creëren van extreem koude omgevingen met lage dichtheden, zodat moleculen elkaar maar zelden ontmoeten’, legt onderzoeker Piero Ferrari van HFML-FELIX uit. ‘Dit is iets wat we in onze onderzoeksfaciliteit kunnen doen. We gebruiken vervolgens de FELIX infraroodlasers om de infrarode vingerafdruk (en de daarmee samenhangende structuur) van moleculen te bestuderen. Deze lasers bestrijken een golflengtebereik dat overeenkomt met dat van de infrarood-instrumenten aan boord van ruimtetelescopen. Hierdoor kunnen we moleculaire vingerafdrukken in het lab analyseren en ze direct vergelijken met metingen die zijn gedaan in de ruimte.’
Moleculen met supersonische snelheden lanceren
In zijn nieuwste onderzoek – een samenwerking met onder andere NASA en de Universiteit van Amsterdam – bestudeerde Ferrari een specifiek type molecuul: een neutraal cyano-polycyclisch aromatische koolwaterstof (een cyanoPAK). Het woord neutraal is hier belangrijk: terwijl veel onderzoek zich richt op geladen deeltjes, die gemanipuleerd en opgesloten kunnen worden met elektrische velden zoals bijvoorbeeld in een ionenval, bieden neutrale deeltjes dit voordeel niet. Daardoor is het bestuderen van ongeladen moleculen uitdagender.
In plaats van te worden geleid door elektrische velden, worden neutrale moleculen met supersonische snelheden door een vacuüm gestuurd, waarbij ze vrij in één richting bewegen. Om ze te karakteriseren langs een ongeveer één meter lange “ruimte racebaan”, worden ze goed getimed met een laserstraal beschenen – als een honkbalknuppel die een bal raakt.
Moleculen zijn niet statisch, ze kunnen buigen, strekken en wiebelen. Deze trillingen kunnen worden aangeslagen bij specifieke infrarode golflengten. Wanneer een laser het molecuul beschijnt, absorbeert het molecuul alleen de fotonen bij golflengten die overeenkomen met zijn specifieke trillingen. Deze interactie tussen infrarood laserlicht en de moleculen geeft informatie over hun geometrie en samenstelling. Kortom: over hun vingerafdruk.
Terug naar de ruimte
In deze studie heeft het geanalyseerde molecuul een specifiek paar atomen – een extra koolstof- (C) en stikstof-(N) atoom die een “lange antenne” op het molecuul vormen. Deze C-N antenne rekt zich uit en trekt samen als een veer. De frequentie waarmee de C-N antenne trilt is uniek voor neutrale cyanoPAKs, wat het een ideale vingerafdruk maakt voor het identificeren van dergelijke moleculen in de ruimte. ‘We zijn er nu in geslaagd om deze beweging voor dit specifieke type molecuul vast te leggen onder omstandigheden die relevant zijn voor astrochemie.’
Dit geeft astronomen niet alleen iets zeer precies om naar te zoeken bij het bestuderen van moleculaire wolken in de ruimte, het heeft ook kwantumchemici bij NASA geholpen om nieuwe rekenmethoden te ontwikkelen om de frequentie van de C-N strekking nauwkeuriger te voorspellen. Met deze nieuwe methode kunnen onderzoekers nu accuraat de vibrationele vingerafdrukken voorspellen van andere cyano-PAKs, van verschillende groottes en vormen. Deze vooruitgang zal astronomen helpen om dergelijke moleculen in de ruimte te vinden door in het infrarood naar de hemel te kijken.
Het artikel is te vinden in The Journal of Physical Chemistry Letters:
Contactpersoon: Piero Ferrari Ramirez