Från att bidra till att katalysera interstellära reaktioner och driva på stjärnors födelse till sin närvaro i gasjättar som Saturnus och Jupiter är trihydrogen, eller H3+, mest känd som ”molekylen som skapade universum”.
Även om vi har en tydlig bild av hur majoriteten av H3+ bildas – en vätemolekyl, ellerH2, som kolliderar med sin joniserade motsvarighet, H2+– är forskarna angelägna om att förstå alternativa källor till H3+ och att bättre mäta dess förekomst i kosmos.
Nu har Michigan State-forskarna Piotr Piecuch och Marcos Dantus och deras grupper och samarbetspartners i en ny artikel i Nature Communications gett oöverträffade insikter i bildandet avH3+ i föreningar som kallas metylhalogener och pseudohalogener.
Dessa resultat följer tidigare banbrytande upptäckter vid MSU, inklusive bildandet avH3+ genom en unik ”roamingmekanism” i dubbelt joniserade organiska molekyler.
Dubbeljonisering inträffar när en atom eller molekyl utsätts för tillräckligt med energi, till exempel från en kosmisk stråle eller laser, så att den förlorar två elektroner.
I sin senaste artikel observerade teamet en liknande roamingmekanism i dubbelt joniserade metylhalogener och pseudohalogener, och avslöjade en rad faktorer som styr bildandet – eller frånvaron – avH3+ i dessa speciella föreningar.
Dessa bildningsfaktorer kan tillämpas på en mängd andra molekyler, vilket breddar horisonten för forskare som vill studera ursprunget till och bildandet av molekylerna i universum.
”H3+ är en liten molekyl som kanske inte är lika viktig för oss på jorden som vatten eller proteiner, men det är en molekyl som vi verkligen vill förstå när det gäller dess förekomst i universum, hur den produceras och hur snabba dess kemiska reaktioner är”, säger Piecuch, som är University Distinguished Professor och MSU Research Foundation Professor vid institutionen för kemi.
”Med våra resultat kan vi kommunicera med andra som letar efter källor tillH3+ och de molekyler som kan bilda det.”
På upptäcktsfärd i kosmos
Att vara ”molekylen som skapade universum” kommer med höga förväntningar, och H3+ lever verkligen upp till namnet.
”H3+ är avgörande för astrokemi, från stjärnors födelse till bildandet av många organiska molekyler”, säger Dantus, professor i MSU Research Foundation vid MSU:s kemiinstitution.
Med dessa viktiga roller i åtanke hade Dantus forskargrupp tidigare tittat bortom H2-möter-H2+ bildningsvägen för att söka efter alternativa källor till H3+. Denna tidigare forskning ledde dem till att dubbeljonisera vissa organiska molekyler, vilket resulterade i ett överraskande resultat.
I stället för att omedelbart brytas sönder, vilket man kan förvänta sig när man placerar två positiva laddningar i ett tillräckligt litet molekylutrymme, slungades istället ett neutralt väte- H2– ut från molekylen.
Likt en dansare som letar efter en partner i en balsal ”strövade”H2 runt i molekylen tills den plockade ut en extra proton och bildade H3+.
”Vi visade att vätet inte bara flög iväg, utan att det stannade kvar, ibland under ganska lång tid”, tillägger Dantus, som också är University Distinguished Professor. ”Detta var mycket ovanligt.”
”Det är inte det vanliga sättet att tänka på beteendet hos dubbelt joniserade molekyler, utan en mycket knepigare process”, säger Piecuch och jämför den vandringsmekanism som följs avH2: s protonabstraktion med den traditionella bilden av en dubbelt joniserad molekyl som sprängs sönder på grund av att två positiva laddningar stöts bort – en process som är mer känd som en Coulomb-explosion.
Piecuch, Dantus och deras kollegor har i sin senaste publikation riktat uppmärksamheten mot halogener och pseudohalogener och bekräftat att flera molekyler bildar H3+ genom dubbeljonisering och, vilket är lika viktigt, identifierat dem som inte gör det.
Publikationen innehåller flera filmer som visar hur H3+ bildas i särskilda fall. Dessa har tagits fram i samarbete med professor Benjamin Levine vid Stony Brook University och kan ses i publikationens kompletterande material.
Resultaten uppnåddes genom en kombination av ultrasnabb laserspektroskopi och banbrytande beräkningskemi, en balansgång mellan de två grupperna av Spartan-forskare.
”Det som var så speciellt med det här projektet – och att vi lyckades genomföra det – var att vi använde de senaste teknikerna från båda håll, både teori och experiment på hög nivå”, säger Piecuch.
Jakten påH3+
Genom att knäcka koden för H3+-bildning i halogener och pseudohalogener har forskarna lyckats skapa en uppsättning styrande faktorer som gör det möjligt för dem att förutsäga vilka organiska föreningar som kan producera H3+ genom dubbeljoniserad roaming – faktorer som Dantus och Piecuch säger kan tillämpas på en mängd andra molekyler, inklusive många som de inte studerade.
Dessa riktlinjer är ett kraftfullt verktyg för forskarkollegor som fortsätter att leta efter alternativa och kanske överraskande källor till H3+, t.ex. molekylmoln i den interstellära rymden.
”Väte är det vanligaste grundämnet i universum, såH2 möter H2+ är fortfarande nyckeln”, förklarar Dantus. ”Det finns dock så många organiska molekyler i dessa diffusa molekylmoln att det är möjligt att mycket H3+ fortfarande bildas genom de processer som vi har studerat.”
När det handlar om en molekyl som är så allmänt förekommande som H3+ kan upptäckten av nya källor i slutändan fördjupa vår förståelse av kosmisk kemi på alla nivåer.
”Även om det bara finns några få procent fler H3+-molekyler i universum på grund av de små organiska föreningar som vi och andra har studerat, kan de modeller som forskare använder för att studera processer som stjärnbildning behöva ses över”, avslutar Piecuch.
För mer information: Jacob Stamm et al, Factors governingH3+ formation from methyl halogens and pseudohalogens, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-024-55065-5