A new ultrahigh vacuum experiment is described to study atom and radical addition reactions in interstellar ice analogues for astronomically relevant temperatures. The new setup – SURFace REaction SImulation DEvice (SURFRESIDE2) – allows a systematic investigation of solid state pathways resulting in the formation of molecules of astrophysical interest. The implementation of a double beam line makes it possible to expose deposited ice molecules to different atoms and/or radicals sequentially or at the same time. Special efforts are made to perform experiments under fully controlled laboratory conditions, including precise atom flux determinations, in order to characterize reaction channels quantitatively. In this way, we can compare and combine different surface reaction channels with the aim to unravel the solid state processes at play in space. Results are constrained in situ by means of a Fourier transform infrared spectrometer and a quadrupole mass spectrometer using reflection absorption infrared spectroscopy and temperature programmed desorption, respectively. The performance of the new setup is demonstrated on the example of carbon dioxide formation by comparing the efficiency through two different solid state channels (CO + OH → CO2 + H and CO + O → CO2) for which different addition products are needed. The potential of SURFRESIDE2 to study complex molecule formation, including nitrogen containing (prebiotic) compounds, is discussed.

1.
K.
Hiraoka
,
N.
Ohashi
,
Y.
Kihara
,
K.
Yamamoto
,
T.
Sato
, and
A.
Yamashita
,
Chem. Phys. Lett.
229
,
408
(
1994
).
2.
N.
Watanabe
and
A.
Kouchi
,
Astrophys. J. Lett.
571
,
L173
(
2002
).
3.
G. W.
Fuchs
,
H. M.
Cuppen
,
S.
Ioppolo
,
S. E.
Bisschop
,
S.
Andersson
,
E. F.
van Dishoeck
, and
H.
Linnartz
,
Astron. Astrophys.
505
,
629
(
2009
).
4.
N.
Miyauchi
,
H.
Hidaka
,
T.
Chigai
,
A.
Nagaoka
,
N.
Watanabe
, and
A.
Kouchi
,
Chem. Phys. Lett.
456
,
27
(
2008
).
5.
S.
Ioppolo
,
H. M.
Cuppen
,
C.
Romanzin
,
E. F.
van Dishoeck
, and
H.
Linnartz
,
Astrophys. J.
686
,
1474
(
2008
).
6.
E.
Matar
,
E.
Congiu
,
F.
Dulieu
,
A.
Momeni
, and
J. L.
Lemaire
,
Astron. Astrophys.
492
,
L17
(
2008
).
7.
F.
Dulieu
,
L.
Amiaud
,
E.
Congiu
,
J.
Fillion
,
E.
Matar
,
A.
Momeni
,
V.
Pirronello
, and
J. L.
Lemaire
,
Astron. Astrophys.
512
,
A30
(
2010
).
8.
Y.
Oba
,
N.
Watanabe
,
A.
Kouchi
,
T.
Hama
, and
V.
Pirronello
,
Astrophys. J. Lett.
712
,
L174
(
2010
).
9.
S.
Ioppolo
,
Y.
van Boheemen
,
H. M.
Cuppen
,
E. F.
van Dishoeck
, and
H.
Linnartz
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
413
,
2281
(
2011
).
10.
J. A.
Noble
,
F.
Dulieu
,
E.
Congiu
, and
H. J.
Fraser
,
Astrophys. J.
735
,
121
(
2011
).
11.
S.
Ioppolo
,
H. M.
Cuppen
,
E. F.
van Dishoeck
, and
H.
Linnartz
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
410
,
1089
(
2011
).
12.
M. J.
Loeffler
,
G. A.
Baratta
,
M. E.
Palumbo
,
G.
Strazzulla
, and
R. A.
Baragiola
,
Astron. Astrophys.
435
,
587
(
2005
).
13.
S.
Ioppolo
,
M. E.
Palumbo
,
G. A.
Baratta
, and
V.
Mennella
,
Astron. Astrophys.
493
,
1017
(
2009
).
14.
U.
Raut
and
R. A.
Baragiola
,
Astrophys. J. Lett.
737
,
L14
(
2011
).
15.
D.
Fulvio
,
U.
Raut
, and
R. A.
Baragiola
,
Astrophys. J. Lett.
752
,
L33
(
2012
).
16.
H.
Linnartz
,
J.-B.
Bossa
,
J.
Bouwman
,
H. M.
Cuppen
,
S. H.
Cuylle
,
E. F.
van Dishoeck
,
E. C.
Fayolle
,
G.
Fedoseev
,
G. W.
Fuchs
,
S.
Ioppolo
 et al, in
Proceedings of the IAU Symposium
, edited by
J.
Cernicharo
and
R.
Bachiller
(
Cambridge University Press
,
2011
), Vol.
280
, pp.
390
404
.
17.
S.
Ioppolo
,
H. M.
Cuppen
,
C.
Romanzin
,
E. F.
van Dishoeck
, and
H.
Linnartz
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
12065
(
2010
).
18.
H. M.
Cuppen
,
S.
Ioppolo
,
C.
Romanzin
, and
H.
Linnartz
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
12077
(
2010
).
19.
H.
Mokrane
,
H.
Chaabouni
,
M.
Accolla
,
E.
Congiu
,
F.
Dulieu
,
M.
Chehrouri
, and
J. L.
Lemaire
,
Astrophys. J. Lett.
705
,
L195
(
2009
).
20.
C.
Romanzin
,
S.
Ioppolo
,
H. M.
Cuppen
,
E. F.
van Dishoeck
, and
H.
Linnartz
,
J. Chem. Phys.
134
,
084504
(
2011
).
21.
S. E.
Bisschop
,
G. W.
Fuchs
,
E. F.
van Dishoeck
, and
H.
Linnartz
,
Astron. Astrophys.
474
,
1061
(
2007
).
22.
E.
Congiu
,
G.
Fedoseev
,
S.
Ioppolo
,
F.
Dulieu
,
H.
Chaabouni
,
S.
Baouche
,
J. L.
Lemaire
,
C.
Laffon
,
P.
Parent
,
T.
Lamberts
, et al,
Astrophys. J. Lett.
750
,
L12
(
2012
).
23.
E.
Congiu
,
H.
Chaabouni
,
C.
Laffon
,
P.
Parent
,
S.
Baouche
, and
F.
Dulieu
,
J. Chem. Phys.
137
,
054713
(
2012
).
24.
G.
Fedoseev
,
S.
Ioppolo
,
T.
Lamberts
,
J. F.
Zhen
,
H. M.
Cuppen
, and
H.
Linnartz
,
J. Chem. Phys.
137
,
054714
(
2012
).
25.
V.
Blagojevic
,
S.
Petrie
, and
D. K.
Bohme
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
339
,
L7
(
2003
).
26.
K. I.
Öberg
,
A. C. A.
Boogert
,
K. M.
Pontoppidan
,
S.
van den Broek
,
E. F.
van Dishoeck
,
S.
Bottinelli
,
G. A.
Blake
, and
N. J.
Evans
 II
,
Astrophys. J.
740
,
109
(
2011
).
27.
K.
Acharyya
,
G. W.
Fuchs
,
H. J.
Fraser
,
E. F.
van Dishoeck
, and
H.
Linnartz
,
Astron. Astrophys.
466
,
1005
(
2007
).
28.
C. J.
Bennett
,
C.
Jamieson
,
A. M.
Mebel
, and
R. I.
Kaiser
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
6
,
735
(
2004
).
29.
B. D.
Teolis
,
M. J.
Loeffler
,
U.
Raut
,
M.
Fama
, and
R. A.
Baragiola
,
Icarus
190
,
274
(
2007
).
30.
H. J.
Fraser
,
M. P.
Collings
,
M. R. S.
McCoustra
, and
D. A.
Williams
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
327
,
1165
(
2001
).
31.
K. G.
Tschersich
and
V.
von Bonin
,
J. Appl. Phys.
84
,
4065
(
1998
).
32.
K. G.
Tschersich
,
J. Appl. Phys.
87
,
2565
(
2000
).
33.
K. G.
Tschersich
,
J. P.
Fleischhauer
, and
H.
Schuler
,
J. Appl. Phys.
104
,
034908
(
2008
).
34.
H. S.
Bergh
,
B.
Gergen
,
H.
Nienhaus
,
A.
Majumdar
,
W. H.
Weinberg
, and
E. W.
McFarland
,
Rev. Sci. Instrum.
70
,
2087
(
1999
).
35.
H.
Hidaka
,
A.
Kouchi
, and
N.
Watanabe
,
J. Chem. Phys.
126
,
204707
(
2007
).
36.
H.
Hidaka
,
N.
Watanabe
,
T.
Shiraki
,
A.
Nagaoka
, and
A.
Kouchi
,
Astrophys. J.
614
,
1124
(
2004
).
37.
N.
Watanabe
,
H.
Hidaka
, and
A.
Kouchi
,
AIP Conf. Proc.
855
,
122
127
(
2006
).
38.
T.
Lamberts
,
H. M.
Cuppen
,
S.
Ioppolo
, and
H.
Linnartz
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
8287
(
2013
).
39.
I. M.
Campbell
and
C. N.
Gray
,
Chem. Phys. Lett.
18
,
607
(
1973
).
40.
C. L.
Lin
and
M. T.
Leu
,
Int. J. Chem. Kinet.
14
,
417
(
1982
).
41.
B.
Sivaraman
,
A. M.
Mebel
,
N. J.
Mason
,
D.
Babikov
, and
R. I.
Kaiser
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
421
(
2011
).
42.
M.
Schieferstein
,
K.
Kohse-Höinghaus
, and
F.
Stuhl
,
Ber. Bunsenges. Phys. Chem.
87
,
361
(
1983
).
43.
B.
Markwalder
,
P.
Gozel
, and
H.
van den Bergh
,
J. Chem. Phys.
97
,
5260
(
1993
).
44.
P.
Brosset
,
R.
Dahoo
,
B.
Gauthierroy
,
L.
Abouafmarguin
, and
A.
Lakhlifi
,
Chem. Phys.
172
,
315
(
1993
).
45.
H.
Chaabouni
,
L.
Schriver-Mazzuoli
, and
A.
Schriver
,
Low Temp. Phys.
26
,
712
(
2000
).
46.
C. J.
Bennett
and
R. I.
Kaiser
,
Astrophys. J.
635
,
1362
(
2005
).
47.
M. M.
Wohar
and
P. W.
Jagodzinski
,
J. Mol. Spectrosc.
148
,
13
(
1991
).
48.
D. A.
Dows
,
J. Chem. Phys.
26
,
745
(
1957
).
49.
A.
Łapiński
,
J.
Spanget-Larsen
,
J.
Waluk
, and
J. G.
Radziszewski
,
J. Chem. Phys.
115
,
1757
(
2001
).
50.
R. F.
Holland
and
W. B.
Maier
 II
,
J. Chem. Phys.
78
,
2928
(
1983
).
51.
C. S.
Jamieson
,
C. J.
Bennett
,
A. M.
Mebel
, and
R. I.
Kaiser
,
Astrophys. J.
624
,
436
(
2005
).
52.
W. G.
Fateley
,
H. A.
Bent
, and
B.
Crawford
 Jr.
,
J. Chem. Phys.
31
,
204
(
1959
).
53.
E. M.
Nour
,
L. H.
Chen
, and
J.
Laane
,
J. Phys. Chem.
87
,
1113
(
1983
).
54.
W.
Hagen
and
A. G. G. M.
Tielens
,
J. Chem. Phys.
75
,
4198
(
1981
).
55.
E. M.
Nour
,
L. H.
Chen
,
M. M.
Strube
, and
J.
Laane
,
J. Phys. Chem.
88
,
756
(
1984
).
56.
G. E.
Ewing
and
G. C.
Pimentel
,
J. Chem. Phys.
35
,
925
(
1961
).
57.
S. A.
Sandford
,
L. J.
Allamandola
,
A. G. G. M.
Tielens
, and
G. J.
Valero
,
Astrophys. J.
329
,
498
(
1988
).
58.
C. V.
Berney
and
D. F.
Eggers
 Jr.
,
J. Chem. Phys.
40
,
990
(
1964
).
59.
E. F.
van Dishoeck
,
F. P.
Helmich
,
T.
de Graauw
,
J. H.
Black
,
A. C. A.
Boogert
,
P.
Ehrenfreund
,
P. A.
Gerakines
,
J. H.
Lacy
,
T. J.
Millar
,
W. A.
Schutte
 et al,
Astron. Astrophys.
315
,
L349
(
1996
).
60.
A. M. S.
Boonman
,
E. F.
van Dishoeck
,
F.
Lahuis
, and
S. D.
Doty
,
Astron. Astrophys.
399
,
1063
(
2003
).
61.
M. H.
Moore
,
R.
Khanna
, and
B.
Donn
,
J. Geophys. Res.
96
,
17541
, doi: (
1991
).
62.
P. A.
Gerakines
,
W. A.
Schutte
, and
P.
Ehrenfreund
,
Astron. Astrophys.
312
,
289
(
1996
).
63.
P.
Ehrenfreund
,
A. C. A.
Boogert
,
P. A.
Gerakines
,
A. G. G. M.
Tielens
, and
E. F.
van Dishoeck
,
Astron. Astrophys.
328
,
649
(
1997
).
64.
M. E.
Palumbo
,
G. A.
Baratta
,
J. R.
Brucato
,
A. C.
Castorina
,
M. A.
Satorre
, and
G.
Strazzulla
,
Astron. Astrophys.
334
,
247
(
1998
).
65.
M. A.
Satorre
,
M. E.
Palumbo
, and
G.
Strazzulla
,
Astrophys. Space Sci.
274
,
643
(
2000
).
66.
N.
Watanabe
and
A.
Kouchi
,
Astrophys. J.
567
,
651
(
2002
).
67.
M.
Garozzo
,
L.
La Rosa
,
Z.
Kanuchova
,
S.
Ioppolo
,
G. A.
Baratta
,
M. E.
Palumbo
, and
G.
Strazzulla
,
Astron. Astrophys.
528
,
A118
(
2011
).
68.
S.
Ioppolo
,
I.
Sangiorgio
,
G. A.
Baratta
, and
M. E.
Palumbo
,
Astron. Astrophys.
554
,
A34
(
2013
).
69.
V.
Mennella
,
M. E.
Palumbo
, and
G. A.
Baratta
,
Astrophys. J.
615
,
1073
(
2004
).
70.
V.
Mennella
,
G. A.
Baratta
,
M. E.
Palumbo
, and
E. A.
Bergin
,
Astrophys. J.
643
,
923
(
2006
).
71.
O.
Gomis
and
G.
Strazzulla
,
Icarus
177
,
570
(
2005
).
72.
U.
Raut
,
D.
Fulvio
,
M. J.
Loeffler
, and
R. A.
Baragiola
,
Astrophys. J.
752
,
159
(
2012
).
73.
J. E.
Roser
,
G.
Vidali
,
G.
Manrico
, and
V.
Pirronello
,
Astrophys. J.
555
,
L61
(
2001
).
74.
S.
Madzunkov
,
B. J.
Shortt
,
J. A.
Macaskill
,
M. R.
Darrach
, and
A.
Chutjian
,
Phys. Rev. A
73
,
020901
(
2006
).
75.
D.
Talbi
,
G. S.
Chandler
, and
A. L.
Rohl
,
Chem. Phys.
320
,
214
(
2006
).
76.
T. G.
Slanger
,
B. J.
Wood
, and
G.
Black
,
J. Chem. Phys.
57
,
233
(
1972
).
77.
T. P. M.
Goumans
and
S.
Andersson
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
406
,
2213
(
2010
).
78.
D. P.
Ruffle
and
E.
Herbst
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
324
,
1054
(
2001
).
79.
T. P. M.
Goumans
,
M. A.
Uppal
, and
W. A.
Brown
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
384
,
1158
(
2008
).
80.
R. T.
Garrod
and
T.
Pauly
,
Astrophys. J.
735
,
15
(
2011
).
81.
Y.
Oba
,
N.
Watanabe
,
A.
Kouchi
,
T.
Hama
, and
V.
Pirronello
,
Astrophys. J.
722
,
1598
(
2010
).
82.
Q.
Chang
and
E.
Herbst
,
Astrophys. J.
759
,
147
(
2012
).
83.
J.
Dupuis
,
C. M.
Oliveira
,
G. H.
Hébrard
,
H. W.
Moos
, and
P.
Sonnentrucker
,
Astrophys. J.
690
,
1045
(
2009
).
You do not currently have access to this content.