Μια νέα μελέτη από ερευνητές στο Columbia University προτείνει ότι τα μόρια άνθρακα μπορούν να ψυχθούν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες μέσω λέιζερ, αυξάνοντας έτσι την δυνατότητα μελέτης των θεμελιωδών ιδιοτήτων αυτών των μοριακών δομικών στοιχείων.
Η ζωή (όπως την ξέρουμε) βασίζεται στον άνθρακα. Παρά το ότι τον συναντάμε παντού γύρω μας, το σημαντικό αυτό στοιχείο εξακολουθεί να κρατά πολλά μυστικά, τόσο στη Γη όσο και μακριά, στο Σύμπαν που παρατηρούμε. Για παράδειγμα, οι αστροφυσικοί όπως ο Daniel Wolf Savin του Columbia που μελετούν τα μεσοαστρικά νέφη θέλουν να καταλάβουν το πώς οι χημικές ουσίες που στροβιλίζονται μέσα σε αυτές τις νεφελώδεις συσσωματώσεις αερίου και σκόνης (συμπεριλαμβανομένου του άνθρακα), σχηματίζουν αστέρες και πλανήτες και δημιουργούν οργανική ζωή.
Αυτά τα μεσοαστρικά νέφη βρίσκονται σε θερμοκρασίες τόσο χαμηλές που είναι δύσκολο επιτευχθούν σε ένα εργαστήριο, αλλά το Columbia έχει ειδικούς στην υπέρψυχρη επιστήμη. Πριν από αρκετά χρόνια, σε μία ομαδική εκδήλωση του Τμήματος Φυσικής στο Nevis Laboratory του Columbia, ο αστροφυσικός Savin συνάντησε τον κβαντικό φυσικό Sebastian Will. Το εργαστήριο του Will ειδικεύεται στην ψύξη ατόμων και μορίων στο απόλυτο τους όριο με τη βοήθεια λέιζερ. Οι τεχνικές ψύξης με λέιζερ προχωρούν ραγδαία τα τελευταία χρόνια, αλλά σπάνια αφορούν τις τυπικές επιλογές ατόμων και των μορίων των φυσικών. Ο Savin ήθελε να μάθει: Μπορούμε να κρυώσουμε μόρια άνθρακα;
Η απάντηση -θεωρητικά τουλάχιστον- είναι ναι, σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσίευσε πρόσφατα ο μεταπτυχιακός φοιτητής φυσικής Niccolò Bigagli, μαζί με τους Savin και Will, στο Physical Review A.
Το πρώτο βήμα για την ψύξη οποιουδήποτε ατόμου ή μορίου με λέιζερ είναι να κατανοήσουμε το πώς απορροφά και εκπέμπει φως· η διαδικασία αυτή μειώνει την κινητική ενέργεια του ατόμου ή του μορίου, και τελικά το ψύχει φέρνοντάς το σχεδόν σε κατάσταση ακινησίας. Τα απαραίτητα φασματοσκοπικά δεδομένα είναι δύσκολο να ληφθούν και συχνά απαιτείται ακριβός εργαστηριακός εξοπλισμός αλλά, ευτυχώς, δεδομένα για τα μόρια άνθρακα υπήρχαν ήδη στη βάση δεδομένων ExoMol, μια πηγή δεδομένων μοριακής φασματοσκοπίας ανοιχτού κώδικα από το University College του Λονδίνου, την οποία χρησιμοποιούν οι αστροφυσικοί για να μελετήσουν τις ατμόσφαιρες των εξωπλανητών.
Με τα δεδομένα από το ExoMol, ο Bigagli ανέπτυξε έναν μηχανισμό που θα μπορούσε να ψύχει μόρια άνθρακα σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες με χρήση λέιζερ· προσεγγίζοντας, περισσότερο απ’ όσο ήταν προηγουμένως δυνατό σε εργαστήριο, τις συνθήκες που επικρατούν εντός των μεσοαστρικών νεφών, δηλώνει ο Savin. Στη συνέχεια, τα ψυχρά μόρια άνθρακα θα μπορούσαν να παγιδευτούν από τα λεγόμενα “οπτικά τσιμπιδάκια” (optical tweezers) για μελέτη των θεμελιωδών ιδιοτήτων τους μέσω φασματοσκοπίας υψηλής ακρίβειας ή για πειράματα αντίδρασης με σκοπό τη μελέτη της κβαντικής χημείας τους, όπως επισημαίνει ο Will.
Τα μόρια άνθρακα αποτελούν τα απολύτως απαραίτητα δομικά στοιχεία για τόσα άλλα μόρια – είναι καταπληκτικό το να σκεφτόμαστε τις δυνατότητες του, το τι θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε με αυτό το νέο σχήμα ψύξης λέιζερ», λέει ο Bigagli. Μέσα σε αυτά θα μπορούσε να είναι και ο συνδυασμός άνθρακα με άτομα υδρογόνου για τη μελέτη μιας σημαντικής κατηγορίας μορίων που ονομάζονται υδρογονάνθρακες.
Το ότι τα μόρια άνθρακα -τα οποία σε ορισμένα σημεία είναι αρκετά διαφορετικά από τα μόρια που έχουν μέχρι στιγμής ψυχθεί με λέιζερ στα εργαστήρια- επιδέχονται αυτή την τεχνική, αυξάνει επίσης την πιθανότητα να υπάρχουν περισσότερες επιλογές στο τραπέζι από όσες είχαμε προηγουμένως αντιληφθεί. «Τα μόρια άνθρακα θα μπορούσαν να είναι η γέφυρα μεταξύ των μορίων που μελετούν -στον κάπως κλειστό τους κύκλο- οι φυσικοί και εκείνων που μελετούν οι χημικοί με περισσότερες εφαρμογές στην πραγματική ζωή», δηλώνει ο Bigagli. Προς το παρόν, τα μέλη της ομάδας αναλύουν πρόσθετα δεδομένα για να εντοπίσουν και άλλα ενδιαφέροντα μόρια που θα μπορούσαν ενδεχομένως να ψυχθούν με λέιζερ, και επίσης σκέφτονται τι θα μπορούσαν να προσθέσουν στον ψυχρό άνθρακα.
Μόνο τα πραγματικά πειράματα θα δείξουν πόσο επιτυχημένο είναι το σύστημα ψύξης του άνθρακα, λέει ο Γουίλ, και ελπίζει ότι το εργαστήριό του θα είναι σύντομα σε θέση να κατασκευάσει τις απαραίτητες διατάξεις λέιζερ. «Δείξαμε ότι είναι σε θέση λειτουργήσει, με χρήση τεχνολογία αιχμής – χρειαζόμαστε απλώς τους πόρους για να το κατασκευάσουμε».
Πηγή: https://quantum.columbia.edu
