Undersøgelse afslører radikale rynker i dannelsen af ​​komplekse kulstofmolekyler i rummet

Et team af forskere har opdaget en ny mulig vej mod dannelse af kulstofstrukturer i rummet ved hjælp af en specialiseret kemisk udforskningsteknik ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Holdets forskning har nu identificeret flere veje, hvorved ringede molekyler kendt som polycykliske aromatiske kulbrinter, eller PAH'er, kan dannes i rummet. Den seneste undersøgelse er en del af en igangværende indsats for at spore de kemiske trin, der fører til dannelsen af ​​komplekse kulstofholdige molekyler i det dybe rum.

PAH'er - som også forekommer på Jorden i emissioner og sod fra forbrænding af fossile brændstoffer - kunne give fingerpeg om dannelsen af ​​livets kemi i rummet som forløbere for interstellare nanopartikler. De anslås at udgøre omkring 20 procent af alt kulstof i vores galakse, og de har de kemiske byggesten, der er nødvendige for at danne 2-D og 3-D kulstofstrukturer.

I den seneste undersøgelse, udgivet i Naturkommunikation , forskere producerede en kæde af ringmærkede, kulstofholdige molekyler ved at kombinere to meget reaktive kemiske arter, der kaldes frie radikaler, fordi de indeholder uparrede elektroner. Undersøgelsen viste i sidste ende, hvordan disse kemiske processer kunne føre til udviklingen af ​​kulstofholdige PAH'er af grafentypen og 2-D nanostrukturer. Grafen er et et-atom-tykt lag af kulstofatomer.

Vigtigt, undersøgelsen viste en måde at forbinde en femsidet (femkantet) molekylær ring med en sekssidet (sekskantet) molekylær ring og også at omdanne femsidede molekylære ringe til sekssidede ringe, som er et springbræt til en bredere vifte af store PAH-molekyler.

"Dette er noget, som folk har forsøgt at måle eksperimentelt ved høje temperaturer, men ikke har gjort før, " sagde Musahid Ahmed, en videnskabsmand i Berkeley Labs Chemical Sciences Division. Han ledede kemisk-blandingseksperimenterne ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) med professor Ralf I. Kaiser ved University of Hawaii i Manoa. "Vi mener, at dette er endnu en vej, der kan give anledning til PAH'er."

Professor Alexander M. Mebel ved Florida International University hjalp med beregningsarbejdet til undersøgelsen. Tidligere undersøgelser fra det samme forskerhold har også identificeret et par andre veje for PAH'er til at udvikle sig i rummet. Undersøgelserne tyder på, at der kan være flere kemiske ruter for livets kemi til at tage form i rummet.

"Det kan være alt det ovenstående, så det ikke kun er en, " sagde Ahmed. "Jeg tror, ​​det er det, der gør det her interessant."

Eksperimenterne på Berkeley Labs ALS - som producerer røntgenstråler og andre typer lys, der understøtter mange forskellige typer simultane eksperimenter – brugte en bærbar kemisk reaktor, der kombinerer kemikalier og derefter sprøjter dem ud for at studere, hvilke reaktanter der dannes i den opvarmede reaktor.

Forskere brugte en lysstråle indstillet til en bølgelængde kendt som "vakuum ultraviolet" eller VUV produceret af ALS, koblet med en detektor (kaldet et reflektron time-of-flight massespektrometer), at identificere de kemiske forbindelser, der stråle ud af reaktoren ved supersoniske hastigheder.

Den seneste undersøgelse kombinerede de kemiske radikaler CH3 (alifatisk methylradikal) med C9H7 (aromatisk 1-indenyl-radikal) ved en temperatur på ca. 105 Fahrenheit grader for i sidste ende at producere molekyler af en PAH kendt som naphthalen (C10H8), der er sammensat af to sammenføjede benzenringe.

De nødvendige betingelser for at producere naphthalen i rummet er til stede i nærheden af ​​kulstofrige stjerner, undersøgelsen bemærkede.

Reaktanterne fremstillet af to radikaler, undersøgelsesnotaterne, var blevet teoretiseret, men var ikke blevet demonstreret før i et højtemperaturmiljø på grund af eksperimentelle udfordringer.

"De radikale er kortvarige - de reagerer med sig selv og reagerer med alt andet omkring dem, " sagde Ahmed. "Udfordringen er, 'Hvordan genererer du to radikaler på samme tid og på samme sted, i et ekstremt varmt miljø?' Vi varmede dem op i reaktoren, de stødte sammen og dannede forbindelserne, og så smed vi dem ud af reaktoren."

Kaiser sagde, "I flere årtier, radikal-radikale reaktioner er blevet spekuleret i at danne aromatiske strukturer i forbrændingsflammer og i det dybe rum, men der har ikke været meget bevis for denne hypotese." Han tilføjede, "Det nuværende eksperiment giver klart videnskabeligt bevis for, at reaktioner mellem radikaler ved forhøjede temperaturer danner aromatiske molekyler såsom naphthalen."

Mens metoden brugt i denne undersøgelse søgte at detaljere, hvordan specifikke typer kemiske forbindelser dannes i rummet, forskerne bemærkede, at de anvendte metoder også kan oplyse bredere undersøgelser af kemiske reaktioner, der involverer radikaler udsat for høje temperaturer, såsom inden for materialekemi og materialesyntese.