Processos de Colisões Atômicas e Moleculares

Moléculas abundantes no Universo, como água, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano e amônia encontram-se frequentemente na forma de grãos interestelares ou condensados na superfície de cometas e de satélites do sistema solar. Misturas desses gelos astrofísicos encontram-se sob bombardeio permanente por ventos estelares e radiação cósmica, provocando erosão, fragmentações moleculares e reações químicas. Os constituintes básicos dos gelos interestelares são moléculas simples, como água (H2O), monóxido e dióxido de carbono (COCO2), metano (CH4) e amônia (NH3).

Nossos estudos preliminares realizados no GANIL mostraram que raios cósmicos pesados têm um papel dominante na dessorção de moléculas por pulverização eletrônica (electronic sputtering), e também na destruição/fragmentação (radiólise), se comparados a outras radiações ionizantes, tais como prótons e fótons UV. Isto foi, à primeira vista, um resultado surpreendente, uma vez que a abundância de íons pesados em raios cósmicos é cerca de quatro ordens de magnitude menor que a de prótons. As irradiações foram realizadas nas linhas de feixe de íons pesados do acelerador GANIL e na linha do acelerador Van de Graaff da PUC-Rio. Persiste, contudo, a necessidade de entender qual efeito a radiação ultravioleta ocasiona em moléculas mais complexas como, por exemplo, os hidrocarbonetos.

A assinatura da presença de hidrocarbonetos associa-se ao registro de uma misteriosa radiação infravermelha proveniente do espaço, descoberta a partir de observações astronômicas feitas nos anos 1970 e 1980. Embora a observação da radiação infravermelha sugerisse que sua fonte poderia ser emissão a partir de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAH’s), poucos espectros de PAH’s individuais estavam disponíveis em laboratório para testar essa idéia. Para obter esses espectros, uma equipe de cientistas liderada por Dr. Louis Allamandola, no AMES Research Center, desenvolveu um programa no final de 1980, capacitando-os para medir espectros de PAH’s em condições astronômicas simuladas. 

O trabalho que estamos desenvolvendo no Laboratório de Astroquímica do AMES permitirá a realização de um estudo da evolução de amostras de gelos sob irradiação em uma particular faixa de energia, contemplando, portanto, os efeitos físico-químicos induzidos tanto pelo vento solar quanto pelos raios cósmicos. As seções de choque de destruição de moléculas inicialmente presentes nas amostras, e de formação de espécies novas, produzidas via fotólise, estão sendo determinadas por espectroscopia FTIR. A partir desses resultados para uma base de dados ampla, incluindo diferentes projéteis (íons) e alvos, relações de escala, como, por exemplo, funções da energia depositada, poderão também ser deduzidas.

Estes projetos descritos acima estão sendo desenvolvidos em quatro laboratórios distintos, cujas infraestruturas serão descritas brevemente a seguir:

No acelerador do GANIL, existe a possibilidade de estudar projéteis nos dois diferentes regimes de deposição de energia. As linhas de feixe IRRSUD e SME (1-10 MeV/u, com a possibilidade de atingir 100 MeV/u – HE (high energy)) podem simular raios cósmicos realmente rápidos. Por outro lado, a linha de feixe de baixa energia ARIBE (keV) permite simular íons típicos do vento solar (~ 400 km/s), onde o stopping power nuclear é dominante, mas que também admite o aparecimento de efeitos relacionados ao estado de carga dos projéteis nos fenômenos de superfície, tais como o sputtering. 

Tanto a PUC-Rio como o GANIL dispõem, em sua infraestrutura experimental, de aceleradores de íons, sistemas de criogenia e espectrômetros - FTIR/TOF [Fig. 1b]. Como descrito acima, um dos pontos altos do projeto atual é o aproveitamento da capacidade dos aceleradores do GANIL de produzir feixes de íons pesados em um intervalo de energia (1-10 MeV/u) no qual os projéteis (análogos de raios cósmicos) apresentam sua mais alta eficiência em induzir reações químicas em gelos e silicatos. Em outras palavras, há um laboratório bem equipado para simularmos passos importantes da evolução química do Universo. 

O Laboratório de Colisões Atômicas e Moleculares do Departamento de Física da PUC-Rio abriga um acelerador de partículas Van de Graaff. O objetivo do Laboratório estende-se por pesquisa básica e aplicada envolvendo feixes na faixa do MeV, constituídos de prótons, certos íons atômicos ou moleculares. Além disto, fontes radioativas de 252Cf, emissoras de fragmentos de fissão nuclear (tipicamente, íons de 137Ba), estão disponíveis. Estes feixes são utilizados para investigar a dinâmica de colisões em átomos e moléculas e suas aplicações em Física dos Materiais, Física Médica, Física da Atmosfera, Fragmentação de Moléculas de Interesse Biológico etc.

O Laboratório Van de Graaff possui um acelerador eletrostático de 4MV modelo KN 4000. Para deflexão dos feixes de íons, contamos com um eletro-ímã analisador de 1,23 T (12300 Gauss), com saídas a 30°, 45° e 60° [Fig. 2a]. Os tipos de feixe mais usados são: próton, deuteron, He+, C+, N+ e N2+, com tensões de aceleração variando entre 200 kV e 3.8 MV. Em particular, o sputtering de gelos vem sendo estudado por meio da irradiação dos alvos por feixes do acelerador Van de Graff. A linha de transporte de feixe utilizada pelo nosso grupo conta com câmara equipada com sistema de espectrometria de massa por tempo de voo, e com detectores sensíveis à posição e um sistema de FTIR [Fig. 2b]. Em ambos os laboratórios, estamos realizando um estudo da evolução de amostras de gelos sob irradiação em uma faixa larga de energia, que se estende de keV a GeV, contemplando, portanto, os efeitos físico-químicos induzidos tanto pelo vento solar quanto pelos raios cósmicos pesados. A partir desses resultados para uma base de dados ampla, incluindo diferentes projéteis (íons) e alvos, relações de escala, como, por exemplo, funções da energia depositada, podem também ser deduzidas. Um aluno de doutorado bolsista CAPES sob minha orientação esta realizando medidas no Van de Graaff, onde acabamos de publicar em artigo início deste ano na MNRAS.

  Os experimentos que permitem isolar uma matriz de PAH estão sendo realizados no Laboratório de Astroquímica. O laboratório é bem conhecido na comunidade astronômica por suas investigações de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAH’s) via Matrix Isolation Spectroscopy (MIS). Estamos simulando em laboratório os efeitos da irradiação de gelos contendo hidrocarbonetos (PAH’s) por fótons UV, típicos entre aqueles presentes no vento solar e em raios cósmicos. A evolução da composição dos gelos é monitorada através da Espectroscopia. Procura-se estudar os efeitos causados por um feixe de fótons de UV ao impactar e atravessar um sólido formado por um ou mais gases condensados. Um dos objetivos principais da investigação é a determinação das abundâncias das novas espécies químicas formadas. Se elas permanecem na amostra irradiada, a análise se faz por espectroscopia de infravermelho; se são emitidas durante a irradiação, usa-se a espectrometria de massa por tempo de vôo. O espectro de radiação relatado a partir da utilização de uma lâmpada do tipo UV (α-Lyman - 121,6 nm) ; o fluxo total de fótons UV utilizado é cerca de 1015 fótons cm-2 s-1 na superfície do gelo (Fig. 3a). Realizamos até o momento o estudo de três PAH's diferentes: coronene (C24H12), ovalene (C32H14), e atualmente estamos irradiando a anthracoronene (C36H18). Todas as medidas foram feitas com matrixes de argônio (Ar) e NO2 e misturas com diferentes concentrações de H2O na câmara de UV (Fig. 3b). O artigo intitulado: "Photochemistry of coronene in cosmic water ice at different concentrations"  foi submetido ao The Astrophysical Journal.

A linha de pesquisa de Colisões atômicas e moleculares do LaFEA concentra seus estudos na interação de radiação com a matéria em estado gasoso e em forma de gelo. Temos como fonte de radiação um canhão de elétrons que tem energia ajustável entre 2 eV e 2 keV, que permite o estudo da interação entre elétrons com gelos e gases de interesse astrofísico, e biológico, como por exemplo água, amônia, metano e muitos outros. Este estudo irá revelar as características fundamentais das ligações moleculares e permite estudar as reações pós colisionais que geram novas espécies. A interação de radiação Ultravioleta (UV) com líquidos em ambiente controlado está sendo realizada com a finalidade de estudar a radiólise e sua formação de novas espécies. Este estudo tem como motivação a produção de energia limpa, como o H2 por exemplo, e a produção de novas moléculas. Possuimos uma câmara de ultra alto vácuo que opera com duas bombas (turbo molecular e mecânica) chegando a pressões de 10-8 mbar. Nesta câmara está instalado o canhão de elétrons, e um analisador de gás residual para fazer medidas de espectroscopia de massa. No momento estamos desenvolvendo um espectrômetro de massa por tempo de vôo próprio com características para a nossa pesquisa. Estamos implementando em paralelo a montagem de uma porta amostra criogênica para o estudo da interação de radiação com gelos. Esta linha de pesquisa conta com 1 aluno de doutorado, 1 de mestrado e três alunos de IC bolsistas. Além de grupos de colaboração e discussão externos na PUC e UFRJ. Todos os equipamentos existentes no LaFEA foram adquiridos com verba de projetos de pesquisa sob minha coordenação. A Fig. 4a mostra o laboratório de colisões e 4b de deposição.

[Fig.4 a, b] Fotografica do Laboratório de colisões (LaFEA);  Com as duas câmaras de colisões e o canhão de elétrons