LA POLS DE L’UNIVERS

LA POLS DE L’UNIVERS

UNA BRUTÍCIA IMPRESCINDIBLE PER A LA QUÍMICA …I LA VIDA

SANT ALBERT

2020

11 de novembre del 2020

Albert Rimola

Departament de Química

UAB

NÚVOLS DE MATÈRIA EN FASE GAS I PARTÍCULES SÒLIDES (GRANS DE POLS)

Pil·lars de la Creació Nebulosa Cap de Cavall

H₂ AlF AlCl AlO C₂ CH CH⁺ CF⁺ CN CN⁺ CN^- CO CO⁺ CP CS CSi FeO HD HCl HF KCl NH N₂⁺ NO NS NaCl O₂ OH OH⁺ PN PO S₂ SH SH⁺ SO SO⁺ SiH SiN SiO SiS

AlNC AlOH C₃ C₂H C₂O C₂P C₂S CH₂ CN₂ CO₂ CO₂⁺ CS₂ FeCN H₃⁺ H₂D⁺ HD₂⁺ H₂Cl⁺ H₂O H₂O⁺ HDO H₂S H₂S⁺ HCN HCO HCO⁺ HCP HCS⁺ HOC⁺ HNC HNO KCN MgCN MgNC N₂H⁺ N₂O NH₂ NaCN OCN^- OCS SO₂ c-SiC₂ SiCN SiNC

c-C₃H i-C₃H C₃N C₃N^- C₃O C₃S C₂H₂ CH₃ HCCN HCNH⁺ HCNO HNCO HNCS HOCN HOCO⁺ HSCN H₂CO H₂CN H₂CS H₂O₂ H₃O⁺ NH₃ PH₃ c-SiC₃

C₅ C₄H C₄H^- C₄Si i-C₃H₂ c-C₃H₂ CH₄ H₂C₂N H₂C₂O H₂CNH H₂COH⁺ H₂NCN HCCCN HCCNC HCOOH HC(O)CN HNC₃ SiH₄

C₅H C₅N C₅N- C₂H₄ CH₃CN CH₃NC CH₃OH CH₃SH i-H₂C₄ c-H₂C₃O i-HC₄H i-HC₄N HC₃NH⁺ HC₂CHO H₂CCNH NH₂CHO

C₆H C₆H^- CH₃C₂H CH₃NH₂ CH₂CHCN c-C₂H₄O H₂CCHOH HC₅N CH₃CHO

C₇H CH₃C₃N CH₃CH₃ HC(O)OCH₃ CH₃COOH CH₂CCHCN CH₂CHCHO CH₂OHCHO H₂C₆ i-HC₆H NH₂CH₂CN

C₈H C₈H^- C₃H₆ (CH₃)₂O CH₃C₄H CH₃CH₂CN CH₃CH₂OH CH₃C(O)NH₂ HC₇N

(CH₃)₂CO (CH₂OH)₂ CH₃C₅N CH₃CH₂CHO

C₂H₅OCHO CH₃C₆H HC₉N

C₆H₆⁺ n-C₃H₇CN C₂H₅OCH₃

HC₁₁N HC₁₀CN C₁₄H₁₀ C₆₀ C₇₀

2 àtoms

3 àtoms

4 àtoms

5 àtoms

6 àtoms

7 àtoms

8 àtoms

9 àtoms

10 àtoms

11 àtoms

12 àtoms

> 12 àtoms

H

O

H

O

OH·

OCN

C

Diversitat i Complexitat Molecular

> 200 espècies moleculars detectades EN FASE GAS

ALMA

Atacama Large Millimeter Array

CH

CH

OH

NH

CHO

CH

CHO

HC

N

RADIOTELESCOPIS

Molècules simples:

“Neutres”

Radicals Cations Anions

Molècules Orgàniques Complexes (COMs)

Cadenes de C lineals Ful·lerens i derivats

(interestel·lars, circunestel·lars, extragàlactiques, i exoplanetàries) McGuire, Astrophys. J.

Supp. Ser., 2018, 239, 17

HC(O)OCH

“Interstellar pub crawl!”

Celestial Valentine W5 star-forming region

Font: NASA’s Spitzer Space Telescope

Grans de Pols

Núvols Interestel·lars

silicats/mat. carbonacis

H C

O

H₂

CO OH

Núvols difusos

n  10

cm

T  80 – 100 K

Grans de pols “nuus”

H ₂ O _CO

CO

CH

OH

NH

CH₄

H

CO

Núvols

densos ^{n  10}

4

cm

T  10 – 30 K

Grans de pols recoberts per mantells de gels

van Dishoeck, Faraday Discuss., 2014, 168, 9 Tielens, Rev. Mod. Phys., 2013, 85, 1021

Formació d’un Sistema Solar i Evolució Química

PRESTEL·LAR PROTOESTEL·LAR

Molècules simples

H₂O CH₃OH H₂

COMs

NH₂CHO CH₃CHO

DISC PROTOPLANETARI

FORMACIÓ DE PLANETESSIMALS I PLANETES Molècules simples i COMs

CH₃CH₂OH

cometes i meteorits

Alta complexitat molecular

aminoàcids

sucres

nucleobases

Caselli & Ceccarelli, Astron. Astrophys. Rev., 2012, 20, 1

GRANS DE POLS

core mantell

reactor còsmic REACTIUS

H C

O N

àtoms

molècules simples (radicals)

OH

NH₂

CN

FONT D’ENERGIA

UV

+ +

+

protons partícules

rajos còsmics

temperatura

“Protector” dels productes

L’Univers com un Gran Reactor Químic

“Ajudant” de les reaccions

reacció en fase gas

reacció en les superfícies dels grans de pols

Formació d’un Sistema Solar i Evolució Química. Presència dels Grans de Pols

PRESTEL·LAR PROTOESTEL·LAR DISC PROTOPLANETARI

FORMACIÓ DE PLANETESSIMALS I PLANETES

H₂

H H

O

H₂O gra de pols

Molècules simples:

H₂, H₂O, NH₃, CO₂, CH₃OH...

Un pas més enllà en la complexitat molecular

CH₃CHO _(pols)

3H

Cold midplane NH₂CHO

COMs:

NH₂CHO, CH₃CHO, CH₃OCH₃...

gels gels

UV, rc

meteorits

Presència de molts minerals (alguns amb propietats catalítiques):

TiO₂, FeS, aluminosilicats, grans metàl·lics,...

Detecció de molts compostos orgànics d’elevada complexitat molecular:

alcohols, àcids carboxílics, aldehids, cetones, nitrils, alifàtics, aromàtics, aminoàcids, sucres i nucleobases

cometes

- Roques + gels

- Detecció de molècules orgàniques (glicina!)

Wild 2 (Stardust) 67P (Rosetta)

Per què estudiar la Química de l’Univers?

- Formació de sistemes solars i planetaris - Química extragalàctica

- Atmosferes planetàries i exoplanetes - Exploracions i missions espacials - ...

NH₂CH₂CN H₂

CH₃OH CO

H₂O

NH₃

NH₂CHO

CH₃COOH

1. Per entendre les etapes fonamentals implicades en l’evolució molecular existent en l’Univers:

HC₅N

glicina

adenina

ribosa

Espai profund

Alliberament exogènic

Terra primordial

2. L’Astroquímica està connectada amb processos de química prebiòtica i, en última instància, en l’origen de la vida.

Aparició de sistemes moleculars

Aparició de

sistemes macro- moleculars

Aparició de sistemes

autoreplicatius

“The Cosmos is also within us. We are made of star stuff”

Carl Sagan

Per què estudiar la Química de l’Univers?

Experiments al Laboratori Mesures

Observacionals

Models Astroquímics

CO

CN

HCO⁺HCN

Z [AU]

0 20 40 60 80 100

ni/nH 10^-10

10^-8 10^-6 10^-4

10^-12

Astroquímica. Un Camp Interdisciplinar

ASTROQUÍMICA

Espectre de la font

Eina:

Telescopis

Astroquímica. Mesures Observacionals I. Molècules en Fase Gas

Identificació de les espècies moleculars

Eina:

Dades espectroscòpiques

Bases de dades Experiments

HCS H2CS H2CO

Objecte astrofísic (font d’emissió)

 Observacions astronòmiques basades en l’espectroscòpia d’emissió de transicions rotovibracionals d’espècies moleculars en fase gas presents en l’objecte astrofísic que s’observa.

 Mesures espectroscòpiques del rang de les ràdiofreqüències (mm i sub-mm)

NH₂CHO

CO(10) L1157 mm

B2 B1

20^h39^m15^s.0 10^s.0 05^s.0

(J2000)

68º00’40’’68º01’20’’68º02’00’’(J2000)

CO

NOEMA

Mapeig del NH₂CHO en la protoestrella L1157

Codella,…,Rimola... Astron.

Astrophys., 2017, 605, L3

Astroquímica. Mesures Observacionals II. Grans de Pols

H ₂ O

CO

CO

CH

OH

NH

CH₄

silicats

 Composició Química

 Observacions astronòmiques basades en l’espectroscòpia d’emissió de transicions vibracionals de components sòlids presents en l’objecte astrofísic que s’observa.

 Mesures espectroscòpiques del rang de l’infraroig (3 – 200 m, 50 – 4000 cm

)

NH₃ CO CH₄

CH₃OH

H₂O [SiO₄]^4-

Mg²⁺

Fe²⁺

 Estat estructural: AMORF

silicats (Mg₂SiO₄) mantell de gel

4 6 8 10 20 40 60 80

silicats

CO₂ bend silicats

CO₂ stretch CO

CH₃OH CH₄

NH₃:H₂O H₂O

stretch H₂O

bend H₂O libration

 [m]

Boogert et al., Annu. Rev. Astron. Astrophys., 2015, 53, 541

Astroquímica. Models Astroquímics

 Equacions diferencials, la finalitat de les quals és reproduir les dades observacionals, amb l’objectiu final d’entendre els processos físics i químics que operen en la regió observada.

CO_(H2O) H₂CO_(H2O)

2H

CH

OH

2H

CO H₂CO

CH

OH

N(t) (1015 molec. cm-1 )

temps (anys) 0

1 2

-1 -2

110² 110³ 110⁴ 110⁵

Predicció de les abundàncies de CO, H₂CO and CH₃OH en funció del temps considerant la hidrogenació del CO en un mantell de gel d’H₂O

• Equacions cinètiques

• Simulacions Monte Carlo

• Master Equations Tipus de models:

Necessiten dades inicials (inputs):

• Paràmetres físics:

temperatures, abundàncies inicials, dimensions dels grans,

• Paràmetres energètics:

energies d’activació, energies d’adsorció/desorció

Es compara amb les observacions

Cuppen et al., Space Sci. Rev., 2017, 212, 1

superfície metàl·lica (e.g., 10K)

 Experiment en superfícies

Astroquímica. Experiments al Laboratori

 Experiments terrestres l’objectiu dels quals és estudiar reaccions d’interès astroquímic simulant les condicions del medi de l’objecte astrofísic (molt baixes temperatures i pressions).

mescla de gasos dels components del gel

capes de gel

h rc espècie

reactiva

anàlisi in-situ (FTIR, MS)

 Permeten conèixer quins productes es formen a partir d’uns reactius determinats.

gel de CO/NO àtoms d’H

NH₂CHO

Fedoseev et al., MNRAS, 2016 radiació UV

CO

NO O

C N

H

Linnartz et al., Int. Rev. Phys. Chem., 2015, 34, 205

Astroquímica dels Grans de Pols. Limitacions

Limitació:

No tenim informació de com es formen les molècules detectades

En fase gas En les superfícies dels grans de pols NH₂CHO

+ H NH₂

+ H₂CO

NH₂ + HCO

NH₂CHO

Mesures Observacionals Models Astroquímics Experiments al laboratori

Limitació:

Incerteses dels paràmetres input

Incerteses en les

prediccions

(Estimacions numèriques, valors en fase gas, valors presuposats)

Limitacions:

• Anàlegs dels grans de pols

• Fluxos àtoms H/fotons UV

 Incapacitat de reproduir les condicions reals dels entorns astrofísics

 No tenim informació dels mecanismes de les reaccions

adsorció

reacció desorció

ads.

difusió

Etapes elementals en Química de superfícies

1. Adsorció 2. Difusió 3. Reacció 4. Desorció

en el cosmos són processos a escala atòmica

Tenim informació macroscòpica

Falta informació atomística

Quines reaccions requereixen la presència del grans de pols i per què?

La Química dels grans de pols

no està plenament entesa

Informació a Escala Atòmica. Ús de la Química Computacional

Branca de la Química que utilitza simulacions moleculars per solucionar problemes químics.

Integra l’ús de mètodes de la Química Teòrica i tècniques de modelització molecular que permeten calcular l’estructura i propietats de sistemes químics (moleculars, biològics, materials) amb el fi d'obtenir-ne informació a escala atòmica.

Química Computacional:

Informació atomística:

estructural, energètica i dinàmica

“If we can solve this equation we can know everything about the system”

Ĥ= E

 Química Quàntica: Ús de la mecánica quàntica en sistemes químics.

Resolució de l’equació d’Scrödinger electrònica

--- ---

---

Adsorció de molècules Estructura dels

grans de pols

Reaccions i perfils d’energia E

SQ3:

Entorns planetessimals Formació de

biomolècules Formació de COMs

SQ2:

Entorns protoestel·lars SQ1:

Entorns pre-estel·lars

Formació de

molècules simples

ERC-QUANTUMGRAIN

Models As

troquímics

Experiments

Química Quàntica

Desvelar definitivament la

Química en els grans de pols

OBJECTIU

Quantum Chemistry on Interstellar Grains

WP1:

Models estructurals

dels grans

WP2:

Reaccions en superfícies

del grans

WP3:

Determinació del rol dels

grans

• Interpretar

• Predir

• Proveir

• Guiar

Structure of the Grain Surfaces?

WP1: Models estructurals dels grans

Main Grain Surface Reaction Mechanisms?

WP2: Reaccions en superficies dels grans

Actual Role of Grains?

WP3: Determinació del rol dels grans

• Molècules simples

• COMs

• Biomolècules

A

B

Camí 1

Camí 2

Camí 3

 Caracteritzar perfils d’energia per a la formació de:

E

Camí 1 Camí 2

Camí 3

ERC-QUANTUMGRAIN

 Generar models estructurals atomístics (i realístics) representatius dels grans de pols

• Silicats

• Gels “bruts”

• Minerals

H₂O/CO

 Catalitzador químic?

fase gas

en grans

E_a

Reducció de l’energia d’activació (E_a) Retenció + difusió

Reacció exotèrmica

Dissipació de l’energia

 Concentrador dels reactius?  Tercer Cos?

en gel d’H₂O en fase gas

 Concentrador dels reactius?  Tercer Cos?

Structure of the Grain Surfaces?

WP1: Models estructurals dels grans

Main Grain Surface Reaction Mechanisms?

WP2: Reaccions en superficies dels grans

Actual Role of Grains?

WP3: Determinació del rol dels grans

• Molècules simples

• COMs

• Biomolècules

A

B

Camí 1

Camí 2

Camí 3

 Caracteritzar perfils d’energia per a la formació de:

E

Camí 1 Camí 2

Camí 3

ERC-QUANTUMGRAIN

 Generar models estructurals atomístics (i realístics) representatius dels grans de pols

• Silicats

• Gels “bruts”

• Minerals

H₂O/CO

E_a= 180

fase gas en grans

E.g.: CN + H₂O  NHCOH CN

H₂O

E_a= 16

H₂O CN

 Catalitzador químic?

(kJ/mol)

Simulació de Dinàmica Molecular E.g.: difusió del N en gel d’H₂O

E.g.: H + CO HCO

Simulacions de Dinàmica Molecular

ERC-QUANTUMGRAIN

 Quantum Chemistry on Interstellar Grains (QUANTUMGRAIN). Grant Agreement number 865657

 ERC-2019-COG - PE9 (Universe Sciences)

100% (PE9)

 80% rebutjats en Step 1

 20% passen a Step 2 (entrevista a Brusel·les)

 2/3 no finançats

 1/3 finançats 11 pojectes

 5 anys (01/09/2020 – 31/08/2025)

 1,890,731.25 €

• Personal

• Supercomputació (CSUC)

• Viatges

• Altres despeses: Open Access, workshop,…

ERC-QUANTUMGRAIN. Moments d’estrès, moments de tristor, moments d’alegria

2 Oct 2019

AGRAÏMENTS

• Mariona Sodupe

• Luis Rodríguez-Santiago

• Xavier Solans-Monfort

• Agustí Lledós

• Gregori Ujaque

• Jean-Didier Maréchal

• Aleix Comas-Vives

GreToBaPe

• Piero Ugliengo (Univ. Torino)

• Cecilia Ceccarelli (Univ. Grenoble-Alpes)

• Nadia Balucani (Univ. Perugia)

• Marta Corno (Univ. Torino)

• Joan Enrique-Romero (UAB + Univ. Grenoble-Alpes)

• Stefano Ferrero (UAB)

• Aurèle Germain (Univ. Torino)

• Stefano Pantaleone (Univ. Torino)

• Berta Martínez-Bachs

• Eloy Peña

• Jessica Perrero

• …

• Josep M. Trigo-Rodríguez (ICE-CSIC)

• Jordi Llorca (ITE-UPC)

(SGR)