Afdækning af eksotiske molekyler af potentiel astrokemisk interesse

Ser på nattehimlen, ens tanker kan blive tiltrukket af astrokemi. Hvilke molekyler findes i de store rum mellem stjernerne? Ville vi se de samme molekyler, som omgiver os her på Jorden? Eller ville nogle af dem være mere eksotiske - noget sjældent observeret eller endda ukendt?

Nylig forskning udført af et multinationalt hold ledet af prof. Robert Kołos fra Institut for Fysisk Kemi ved det polske videnskabsakademi har afsløret et usædvanligt molekyle opnået og opdaget for første gang under laboratorieforhold og også banet en glat vej til at producere og yderligere undersøgelser en anden. Nu hvor de kan ses og studeres, de kan vise sig at være værdige til bredere astrokemisk interesse.

Interstellare skyer – hvor historien begynder...

Mediet, der gennemtrænger rummet mellem stjerner, er hovedsageligt fyldt med brint, helium, og kosmisk støv. Imidlertid, gennemsnitlige afstande mellem atomer eller molekyler i disse interstellare skyer er så store, at der kan gå hele dage, før de kolliderer. I rummets vakuum, tidens gang og strålingens påvirkning er afgørende faktorer for udviklingen af ​​mere avancerede kemiske forbindelser.

Da de fysiske forhold fundet i interstellare skyer er drastisk forskellige fra dem på vores planet, påvisningen af ​​nogle af de kemiske forbindelser, der findes i dem, kræver avancerede undersøgelser på Jorden. Som en del af dette, forskere skaber molekyler, som normalt er ustabile under jordens forhold, og forsker derefter i deres egenskaber. De opdager dem først på Jorden, så vi nemmere kan opdage dem i rummet. Lyder interessant, men hvordan ser det ud i praksis?

Fosfor menageri

Jupiter og Saturn har været i søgelyset i vores eget solsystem i mere end to årtier på grund af påvisningen af ​​fosfin (PH ₃ ), ammoniak analog, i deres atmosfærer. I 2020, alle øjne vendte mod Venus efter påstande om, at PH ₃ var også fundet i dens atmosfære. Forekomsten af ​​fosphin i et astronomisk objekt er betydningsfuldt på grund af dets enorme betydning for levende organismer.

Molekyler indeholdende fosfor er afgørende for enzymatiske processer, som er ansvarlige for dannelsen af ​​vores skeletters strukturelle materialer, nukleinsyrer som DNA og RNA, og endda energitransport i alle levende celler. Selvom det er det 6. mest udbredte element i Jordens biomasse og det 12. mest udbredte på planeten generelt, det er en milliard gange mindre udbredt i det interstellare medium. På grund af deres sjældenhed, opdagelse af P-holdige molekyler i interstellare skyer fortsætter med at fascinere videnskabsmænd.

Vi ved meget lidt om adfærden og eksistensen af ​​P-holdige molekyler under ekstreme interstellare forhold. Kun få er fundet og er begrænset til PN, CP, PO, HCP, CCP, PH ₃ , og NCCP. Af disse er kun PO og PN blevet påvist i molekylære skyer. Det er muligt, at den lave overflod af reaktanter indeholdende fosfor i sådanne medier gør dannelsen af ​​større molekyler ret sjælden og vanskelig at påvise. Vi er også nødt til at karakterisere et bredere udvalg af P-holdige kemikalier, så vores søgning kan udvides til at omfatte et større udvalg af passende mål. Søgen efter nye molekyler er udfordrende, da mange kendte og lovende P-holdige arter er ustabile under typiske laboratorieforhold.

IPC PAS-forskerne:Dr. Arun-Libertsen Lawzer, Dr. Thomas Custer, og prof. Robert Kołos, i samarbejde med prof. Jean-Claude Guillemin fra Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes (Frankrig) har for nylig præsenteret en effektiv, UV-lys-assisteret kryogen syntese af HCCP-molekylet, åbner nye muligheder for den spektroskopiske undersøgelse af denne usædvanlige kemiske forbindelse. Det blev detekteret ved hjælp af infrarød og UV-vis spektroskopi. Denne karakterisering bør være nyttig til mulige fremtidige udenjordiske påvisninger.

"Vi bruger ultraviolet til at dehydrogenere fosfor indeholdende organiske molekyler til at producere eksotiske fosforarter. Vi var i stand til at producere triplet HCCP, som er et molekyle af astrokemisk betydning. Tricket til at detektere det ligger i at bruge miljøet af en frossen inert gas, "bemærker Dr. Lawzer.

Forsøgene udført som en del af projektet, og relevante teoretiske undersøgelser viser, at molekylet har en lineær form og en særegen kemisk binding. Prof. Kołos kommenterer:"Du har måske hørt i din skoletid, at fosfor var enten 3- eller 5-valent i dets kemiske forbindelser. Nå, her er det monovalent, har en enkelt binding til kulstof. Det er faktisk ret usædvanligt."

Forskerne bekræftede også eksistensen af ​​CH ₂ =C=PH (phosphaallen), et molekyle, der aldrig er observeret før. Den blev dannet langs ruten, der fører fra CH ₃ CP (precursor-arten) til HCCP.

Eksperimenter understøttet af kvantekemiske beregninger, for nylig rapporteret i Angewandte Chemie , har bevist, hvad der engang kun var en teoretisk konstruktion. "Hvis du spurgte en almindelig kemiker, nogle af de mest fremtrædende arter af det astrokemiske menageri ville sandsynligvis blive latterliggjort som blotte molekylære fragmenter snarere end ægte molekyler, " indrømmer prof. Kołos.

Laboratoriekarakteriseringen af ​​eksotiske forbindelser som HCCP og CH ₂ =C=PH markerer et vigtigt skridt hen imod deres udenjordiske detektion. Og sådanne påvisninger ville i høj grad fremme vores viden om astrokemien af ​​fosfor. Dette burde inspirere endnu flere videnskabsmænd til at se mod stjernerne ovenfor...