Mysterier bag interstellare buckyballs blev endelig besvaret

Forskere har længe været forundret over eksistensen af ​​såkaldte "buckyballs" - komplekse kulstofmolekyler med en fodbold-lignende struktur - i hele det interstellare rum. Nu, et team af forskere fra University of Arizona har foreslået en mekanisme til deres dannelse i en undersøgelse offentliggjort i Astrofysiske tidsskriftsbreve .

Kulstof 60, eller C ₆₀ for kort, hvis officielle navn er Buckminsterfullerene, kommer i sfæriske molekyler bestående af 60 kulstofatomer organiseret i fem- og seks-leddede ringe. Navnet "buckyball" stammer fra deres lighed med Richard Buckminster Fullers arkitektoniske arbejde, der har designet mange kuppelstrukturer, der ligner C ₆₀ . Deres dannelse mentes kun at være mulig i laboratorieindstillinger, indtil deres påvisning i rummet udfordrede denne antagelse.

I årtier, folk troede, at det interstellare rum kun var overstrøet med letvægtsmolekyler:for det meste enkelte atomer, to-atom molekyler og lejlighedsvis ni eller 10-atom molekyler. Dette var indtil massiv C ₆₀ og C ₇₀ molekyler blev opdaget for nogle år siden.

Forskere var også overraskede over at opdage, at de var sammensat af rent kulstof. I laboratoriet, C ₆₀ fremstilles ved at sprænge rene kulstofkilder sammen, såsom grafit. I rummet, C ₆₀ blev opdaget i planetariske tåger, som er resterne af døende stjerner. Dette miljø har omkring 10, 000 brintmolekyler for hvert kulstofmolekyle.

"Enhver brint bør ødelægge fullerensyntese, " sagde doktorgradsstuderende i astrobiologi og kemi Jacob Bernal, hovedforfatter af papiret. "Hvis du har en kasse med bolde, og for hver 10. 000 brintkugler du har et kulstof, og du bliver ved med at ryste dem, hvor sandsynligt er det, at du får 60 kulstof til at hænge sammen? Det er meget usandsynligt."

Bernal og hans medforfattere begyndte at undersøge C ₆₀ mekanisme efter at have indset, at transmissionselektronmikroskopet, eller TEM, placeret på Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility ved UArizona, var i stand til at simulere det planetariske nebulamiljø ret godt.

TEM, som er finansieret af National Science Foundation og NASA, har et serienummer på "1", fordi det er den første af sin slags i verden med dens nøjagtige konfiguration. Det er 200, 000-volt elektronstråle kan sondere stof ned til 78 picometer - skalaer for små til at den menneskelige hjerne kan forstå - for at se individuelle atomer. Den fungerer under et vakuum med ekstremt lave tryk. Dette pres, eller mangel på samme, i TEM er meget tæt på trykket i cirkumstellære miljøer.

"Det er ikke sådan, at vi nødvendigvis har skræddersyet instrumentet til at have disse specifikke former for pres, " sagde Tom Zega, lektor i UArizona Lunar and Planetary Lab og studiemedforfatter. "Disse instrumenter fungerer ved den slags meget lave tryk, ikke fordi vi ønsker, at de skal være som stjerner, men fordi atmosfærens molekyler kommer i vejen, når du forsøger at lave højopløsningsbilleder med elektronmikroskoper."

Holdet samarbejdede med det amerikanske energiministeriums Argonne National Lab, nær Chicago, som har en TEM, der er i stand til at studere materialers strålingsrespons. De anbragte siliciumcarbid, en almindelig form for støv lavet i stjerner, i lavtryksmiljøet i TEM, udsat det for temperaturer op til 1, 830 grader Fahrenheit og bestrålede det med højenergiske xenonioner.

Derefter, det blev bragt tilbage til Tucson for at forskere kunne udnytte den højere opløsning og bedre analytiske evner i UArizona TEM. De vidste, at deres hypotese ville blive valideret, hvis de observerede siliciumafgivelsen og blotlægge rent kulstof.

"Helt sikkert, silicium kom af, og du blev efterladt med kulstoflag i seksleddede ringsæt kaldet grafit, " sagde medforfatter Lucy Ziurys, Regents professor i astronomi, kemi og biokemi. "Og så når kornene havde en ujævn overflade, femleddede og seksleddede ringe dannede og lavede sfæriske strukturer, der matchede diameteren af ​​C ₆₀ . Så, vi tror, ​​vi ser C ₆₀ ."

Dette arbejde antyder, at C ₆₀ er afledt af siliciumcarbidstøv lavet af døende stjerner, som så rammes af høje temperaturer, chokbølger og højenergipartikler, udsuger silicium fra overfladen og efterlader kulstof. Disse store molekyler er spredt, fordi døende stjerner skubber deres materiale ud i det interstellare medium - mellemrummene mellem stjerner - og dermed tegner sig for deres tilstedeværelse uden for planetariske tåger. Buckyballs er meget stabile over for stråling, giver dem mulighed for at overleve i milliarder af år, hvis de er afskærmet fra det barske miljø i rummet.

"De forhold i universet, hvor vi forventer, at komplekse ting bliver ødelagt, er faktisk de forhold, der skaber dem, " sagde Bernal, tilføjer, at konsekvenserne af resultaterne er uendelige.

"Hvis denne mekanisme danner C ₆₀ , det danner sandsynligvis alle slags kulstof nanostrukturer, " sagde Ziurys. "Og hvis du læser den kemiske litteratur, disse antages alle at være syntetiske materialer kun fremstillet i laboratoriet, og stadigvæk, det interstellare rum ser ud til at gøre dem naturligt."

Hvis resultaterne er tegn, det ser ud til, at der er mere, universet har at fortælle os om, hvordan kemi virkelig fungerer.