Phenomena at Interstellar Core and Mantle Grains: a Quantum Mechanical Approach

Abstract

L’evolució d’un núvol interestel·lar cap a un sistema planetari està inextricablement lligada al creixement de la complexitat química. En el medi interestel·lar (ISM), les reaccions químiques tenen lloc tant en fase gasosa com en les superfícies de grans de pols, que són nanopartícules refractàries formades per material silícic o carbonaci. En les regions més fredes de l’espai, aquests grans de pols estan recoberts per mantells de gel dominats per aigua, i juguen un paper crucial en l’increment de la complexitat molecular. Aquesta tesi té com a objectiu avançar en la comprensió dels processos fisicoquímics que estan regulats pels grans de pols mitjançant l’ús de tècniques de química computacional.

S’emfatitza especialment els processos d’adsorció que influeixen en la composició química de la fase gasosa, sobretot pel que fa a les espècies que contenen sofre, els principals reservoris de les quals durant les primeres etapes de la formació planetària continuen sense identificar-se. A més, una combinació teoria-experiment per determinar energies d’interacció, que governen els processos d’adsorció i desorció, revela la importància d’emprar ambdós enfocaments per millorar la interpretació dels resultats experimentals i superar les limitacions respectives.

A més, la tesi investiga el paper que juguen a la superfície dels grans de pols en reaccions químiques implicades en l’increment de la complexitat química en el medi interestel·lar. Es caracteritzen els mecanismes de formació de molècules orgàniques complexes, definides com a espècies que contenen sis o més àtoms, incloent-hi almenys un àtom de carboni. En particular, aquesta recerca investiga els mecanismes de formació de l’acetaldehid, l’etanol i la urea, centrant-se en reaccions que involucren tant espècies a capa tancada com radicals. Els resultats revelen que els grans de pols tenen diverses funcions en aquests processos, com ara proporcionar i concentrar els reactius a la seva superfície, actuar com a catalitzadors i, potencialment, com a tercers cossos que dissipen l’energia alliberada durant les reaccions exotèrmiques. Aquesta recerca aporta noves perspectives sobre el paper crucial dels grans de pols en l’evolució química que precedeix la formació de sistemes planetaris.

La evolución de una nube interestelar hacia un sistema planetario está inextricablemente ligada al crecimiento de la complejidad química. En el medio interestelar (ISM), las reacciones químicas se producen en la fase gaseosa o en las superficies de los granos de polvo, que son nanopartículas refractarias de material silíceo o carbonoso. En las regiones más frías del espacio, estos granos de polvo están recubiertos de mantos de hielo dominados por agua, y desempeñan un papel crucial en el crecimiento de la complejidad molecular. Esta tesis pretende avanzar en la comprensión de los procesos físico-químicos que regulan los granos de polvo mediante el uso de técnicas de química computacional.

Se hace especial énfasis en los procesos de adsorción que influyen en la composición química de la fase gaseosa, con un enfoque a las especies portadoras de S, cuyos reservorios durante las primeras etapas de formación planetaria siguen sin identificarse. Además, una combinación teórico-experimental para determinar energías de interacción, que gobiernan los procesos de adsorción y desorción, revela la importancia de emplear ambos enfoques para mejorar la interpretación de los resultados experimentales y superar las respectivas limitaciones.

Además, la tesis investiga el papel que juegan las superficies de los granos de polvo en las reacciones químicas implicades en el incremento de la complejidad química en el ISM. Se caracterizan los mecanismos de formación de moléculas orgánicas complejas, que se definen como especies que contienen seis o más átomos, incluido al menos un átomo de carbono. En particular, se investigan los mecanismos de formación del acetaldehído, el etanol y la urea, centr-andose en reacciones donde intervienen tanto especies de a capa cerrada como radicales. Los resultados revelan que los granos de polvo desempeñan diversas funciones en estos procesos, entre las que se incluyen suministrar y concentrar reactivos en su superficie, actuar como catalizadores y, eventualmente, como terceros cuerpos que disipan la energía liberada durante las reacciones exotérmicas. Esta investigación aporta nuevos conocimientos sobre el papel fundamental de los granos de polvo en la evolución química interestelar que precede a la formación de los sistemas planetarios.

The evolution of an interstellar cloud into a planetary system is inextricably linked to the growth of chemical complexity. In the interstellar medium (ISM), chemical reactions occur either in the gas phase or on the surface of dust grains, which are refractory nanoparticles made of siliceous or carbonaceous material. In the coldest regions of space, these dust grains are coated with water-dominated ice mantles, and they play a crucial role in the growth of molecular complexity. This thesis aims to advance our comprehension of the physico-chemical processes that are regulated by dust grains through the use of computational chemistry techniques.

Particular emphasis is placed on the adsorption processes that influence the chemical composition of the gas phase, especially with respect to S-bearing species, whose main reservoirs during the early stages of planetary formation remain unidentified. Furthermore, a combined experimental and theoretical determination of the binding energies, which govern the adsorption and desorption processes, reveals the significance of employing both approaches to enhance the interpretation of experimental outcomes and to overcome the respective limitations.

Furthermore, the thesis investigates the role of chemical reactions on the surface of dust grains in the growth of chemical complexity in the ISM. The formation mechanisms of complex organic molecules, defined as species containing six or more atoms, including at least one carbon atom, are characterised. In particular, this research investigates the formation mechanisms of acetaldehyde, ethanol and urea, with a focus on reactions involving both closed-shell and radical species. The findings reveal that dust grains play a variety of roles in these processes, including supplying and concentrating reactants on their surface, acting as catalysts and, eventually, as third bodies that dissipate the energy released during exothermic reactions. This research provides new insights into the critical role of dust grains in the chemical evolution that precedes planetary system formation.