CO buzundan ultraviyole kaynaklı CO desorpsiyonunu açıklayan üç aşamalı bir mekanizma

Ultraviyole (UV) radyasyonun neden olduğu CO buzunun desorpsiyonu, evrenin bazı soğuk kısımlarında meydana gelen ve sıklıkla laboratuvar ortamlarında da tekrarlanan bir olgudur. Bu fenomen artık iyi bir şekilde belgelenmiş olsa da, onu destekleyen moleküler mekanizmalar henüz tam olarak ortaya çıkarılmamıştır.

Mathieu Bertin liderliğindeki Fransız ANR PIXyES projesi çerçevesinde Lille Üniversitesi ve Sorbonne Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, yakın zamanda deneyler ve moleküler simülasyonların bir kombinasyonu yoluyla bu mekanizmayı araştıran bir çalışma yürüttüler. Onların kağıtları, yayınlanan içinde Fiziksel İnceleme MektuplarıUV foton kaynaklı CO buz desorpsiyonuna yol açabilecek üç aşamalı bir mekanizmanın ana hatlarını çiziyor.

Makalenin önde gelen yazarları Maurice Monnerville ve Jean-Hugues Fillion, Phys.org’a şöyle konuştu: “Yıldızlararası ortamda (ISM), moleküler madde çoğunlukla en soğuk ve en yoğun bölgelerde bulunur.”

“Bu alanlar, protoplanet disklerin iç kısımları ve yıldız öncesi bulutlar gibi yıldızların ve gezegenlerin hayat bulduğu yıldız doğum yerleridir. Hidrojen ve su gibi basit olanlardan (H) kadar değişen yaklaşık 200 farklı moleküler tür.₂H₂O, CO,…) metanol (CH) gibi daha karmaşık olanlara₃OH) silikatlardan ve karbonlardan oluşan küçük taneciklerle bir arada bulunur.”

Evrenin yaklaşık 10 K gibi son derece düşük sıcaklıklara sahip en soğuk bölgelerinden bazılarında, tüm moleküller (H hariç)₂) minik taneciklerin yüzeyine yapışarak buzlu katmanlar oluşturur. Bu katmanlar öncelikle yoğunlaşmış su ve karbon monoksit (CO) ve karbondioksit (CO) gibi diğer çeşitli maddelerden oluşur.₂).

Yazarlar, “Bu yıldızlararası buzlar, evrenin soğuk bölgelerinde önemli bir moleküler madde deposu görevi görüyor” diye açıkladı.

“Bu en soğuk bölgelerde, aşırı düşük sıcaklık nedeniyle türlerin toz tanecikleri üzerinde donması gerekmesine rağmen gaz fazında anormal bolluklar tespit edildi. Peki bu moleküllerin uzayın soğuk bölgelerinde desorpsiyonu nasıl açıklanabilir?” Bu beklenmedik bollukları anlamak için, bu moleküllerin gaz fazında tespitini açıklayan termal olmayan bir desorpsiyon olgusu gereklidir.”

Evrenin özellikle düşük sıcaklıklara sahip kısımlarındaki gaz moleküllerinin yüksek bolluğunu açıklayabilen bir süreç, atomik hidrojenden (7-13,6 eV) filtrelenen çevredeki yıldız emisyonundan UV fotonlarının neden olduğu desorpsiyondur. Bu nedenle pek çok fizikçi yakın zamanda bu olguyu, özellikle de CO2’nin UV foto-desorpsiyonunu derinlemesine araştırıyor.

Yazarlar, “CO buzları, metanolün oluşumuna ve ardından oldukça çeşitli organik kimyaya yol açan karmaşık kimya için potansiyel bir başlangıç ​​noktası görevi görüyor” dedi. “Bu nedenlerden dolayı, katı CO2’nin VUV-fotodesorpsiyonu, onlarca yıldır astrokimya camiasına mutlak desorpsiyon verimleri sağlamayı amaçlayan geniş bir deneysel çalışmalar panelinin konusu olmuştur.”

Jean-Hugues Fillion’un araştırma grubunun Sorbonne Üniversitesi’ndeki LERMA laboratuvarındaki önceki araştırma çalışmaları, CO’nun UV kaynaklı desorpsiyon mekanizmasının büyük ölçüde dolaylı olduğunu gösteren kanıtlar buldu. Bu esasen, fotonu soğuran molekülün fotonu soğuran molekül olması gerekmediği, bunun yerine bu desorpsiyon sürecinin öncelikle uyarılmış molekül ile yüzey molekülü arasındaki enerji aktarımıyla yürütüldüğü anlamına gelir.

Ancak şu ana kadar bu desorpsiyon mekanizması tam olarak anlaşılamamıştır; çünkü ne teorik ne de deneysel çalışmalar, ilgili tüm moleküler özellikleri açıklayamamıştır. Monnerville ve meslektaşları tarafından yapılan son çalışmanın temel amacı, daha önce bildirdikleri enerji transferinin doğasına ve desorbe edilen moleküllerin özelliklerine odaklanarak mekanizmayı karakterize etmekti.

Monnerville, “Teori ve deneyler arasında uyumlu bir strateji geliştirdik” dedi. “Lille Üniversitesi’ndeki PCMT ekibi, enerji aktarım mekanizmasını daha da aydınlatmak için yoğunluk fonksiyonel teorisine (DFT) dayanan karmaşık bir karma kuantum/klasik simülasyon tekniği olan Ab Initio Molecular Dynamics’i (AIMD) kullandı.”

“Eş zamanlı olarak Parisli ekip, SPICES ultra yüksek vakum kurulumunu kullanarak VUV’de seçilen uyarma enerjisinde yeni darbeli lazer kaynaklı fotodesorpsiyon gerçekleştirdi ve bu, fotodesorbe edilmiş CO moleküllerinin titreşim ve translasyon enerji dağılımı hakkında doğrudan AIMD sonuçlarıyla karşılaştırılabilecek veriler sağladı. “

Lille Üniversitesi merkezli bu araştırma grubunun bir kısmı tarafından gerçekleştirilen simülasyonlar, CO buzunun UV radyasyonunun neden olduğu desorpsiyonunun üç temel aşamaya sahip bir mekanizmaya dayandığını ortaya çıkardı. Bu aşamaların ilkinde, uyarılmış bir molekül buzların içinde titreşir ve başlangıçta içinde biriken titreşim enerjisini korur.

Monnerville, “Daha sonra, uyarılmış molekül ve çevresindeki bir veya iki CO2 molekülü karşılıklı olarak çekilmeye başlıyor ve sonuç olarak translasyon enerjisi kazanıyor, bu da bir ‘tekme olayı’ yoluyla çarpışmalarına yol açıyor” diye açıkladı.

“Çarpışan moleküller daha sonra hareketi başlatır ve buz içindeki diğer moleküllerle etkileşime girer, bu da kademeli bir enerji transfer etkisine neden olur. Temel olarak, ikinci adımda elde edilen translasyon ve rotasyonel enerji, yüzeydeki CO moleküllerine aktarılarak bağlanma enerjisinin üstesinden gelmelerini sağlar. agreganın ve desorblamanın.”

Monnerville ve işbirlikçileri tarafından özetlenen üç temel adımın, kısmen iyi bilinen DIET (Elektronik Geçişle İndüklenen Desorpsiyon) mekanizmasıyla kısmen uyumlu olduğu dikkat çekmektedir. Bu mekanizmanın daha önce yıldızlararası buz analoglarının VUV ışınımının neden olduğu desorpsiyonunun olası bir nedeni olduğu varsayılmıştı, ancak bu çalışma, bunu deneysel gözlemlerle de uyumlu simülasyonlar yoluyla ayrıntılı olarak açıklayan ilk çalışmadır.

Monnerville, “Bu karmaşık süreci başarılı bir şekilde tanımlamanın ve deneysel gözlemlerle mükemmel bir uyum sağlamanın anahtarı, bu karmaşık dinamik sistemin daha kesin bir şekilde tasvir edilmesine olanak tanıyan, hesaplama açısından yoğun simülasyon tekniklerinin kullanılmasında yatmaktadır” dedi.

“AIMD teknikleri, titreşimle uyarılan bir CO molekülü ile komşuları arasındaki etkileşimi doğru bir şekilde karakterize etmek ve desorpsiyon sürecini başlatmak için çok önemliydi; bu, önceki teorik çalışmaların yetersiz kaldığı bir noktaydı.”

Bu araştırmacı ekibinin son çalışması, ultra soğuk ortamlardaki moleküler süreçlerin incelenmesine önemli bir katkıdır. Dikkat çekici bir şekilde, UV kaynaklı CO2 buz desorpsiyonunun ardındaki mekanizmanın deneysel gözlemlerle mükemmel şekilde hizalanmış ayrıntılı simülasyonlarını sağlayan ilk kişidir.

Yazarlar, “Üç aşamalı bir mekanizmayı (titreşimsel uyarım, tekme, desorpsiyon) keşfetmemiz, karmaşık bir süreci nispeten basit terimlerle açıklamamıza olanak tanıyor” dedi. “Aslında bu mekanizmanın basitliği onu önemli kılıyor. Bu birincil mekanizmanın astrofizik camiası tarafından daha karmaşık yıldızlararası buzlarda halihazırda gözlemlenen desorpsiyonu teorik olarak açıklamak için kullanılabilmesi oldukça makul.”

Gelecekte, Lille ve Sorbonne Üniversitesi ekipleri tarafından kullanılan deneysel yöntemler ve simülasyon araçları, daha geniş bir yelpazedeki karmaşık buz karışımlarının foto-desorpsiyonunu incelemek için kullanılabilir. Araştırmacılar şu anda, ab initio moleküler dinamik (DFT) hesaplamaları sırasında toplanan veriler kullanılarak eğitilmiş, makine öğrenimi tabanlı bir potansiyel enerji yüzeyi (PES) modeli üzerinde de çalışıyorlar.

Monnerville, “Bu Yüksek Boyutlu Sinir Ağı PES, CO buz yüzeyinin daha temsili bir modeli üzerinde CO desorpsiyon sürecinin daha fazla ve daha uzun moleküler dinamik simülasyonlarını gerçekleştirmemize olanak tanıyacak ve aynı zamanda hesaplama maliyetlerini önemli ölçüde azaltacaktır” diye ekledi.

“Ek olarak, CO gibi daha karmaşık yıldızlararası buz analogları üzerinde yeni deneysel ve teorik çalışmalar yürütüyoruz.₂CO:N₂ve CO:NO, benzer metodolojiler kullanılarak. Son olarak, fotodesorbe olmuş moleküllerin açısal dağılımını ortaya çıkarmak için yeni bir deneysel yaklaşım test edilecektir. Bu, gaz fazı uygulamaları için iyi bilinen güçlü bir tespit tekniği olan hız haritası görüntüleme dedektörünün uygulanmasıyla elde edilecektir, ancak geliştirilmesi, soğuk substratlardan desorbe edilmiş moleküllerin incelenmesi için zorludur.”

© 2024 Science X Ağı