Interstellar kemi:lavtemperaturgasfasedannelse af inden i det interstellare medium

Det interstellare medium og forbrændingssystemer indeholder polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er) som grundlæggende molekylære byggesten, der danner fullerener og kulstofholdige nanostrukturer. Imidlertid, forskere har endnu ikke undersøgt og forstået aromatiske molekyler, der bærer fem-leddede ringe, der danner de væsentlige byggesten i ikke-plane polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er), som til sidst fører til dannelsen af ​​interstellare korn eller kulstofholdigt kosmisk støv. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Videnskabens fremskridt , Srinivas Doddipatla og et hold af videnskabsmænd i kemi, fysik og astronomi i USA og Rusland udforskede konceptet med krydsede molekylære stråleeksperimenter, elektroniske strukturberegninger og astrokemisk modellering. Arbejdet afslørede en usædvanlig vej til at danne inden (C ₉ H ₈ ) - et aromatisk prototype -molekyle med en femleddet ring. Mekanismen var baseret på en barrierefri biomolekylær reaktion, der involverede det enkleste organiske radikal - methylidyn (CH) og styren (C) ₆ H ₅ C ₂ H ₃ ) via en hidtil undvigende methylidynadditions-cykliserings-aromatiserings (MACA) mekanisme. Værket tilbyder et nyt koncept om lavtemperaturkemien af ​​kulstof, der findes i galaksen.

Interstellar kemi

I dette arbejde, Doddipatla et al. afslørede syntesen af ​​inden-molekyler baseret på elementære reaktioner mellem den enkleste organiske radikal methylidyn med styrenmolekyler under enkeltkollisionsforhold. Ifølge en hypotese foreslået af Léger og Puget i 1984, polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er) blev antaget at være lavet af fusionerede benzenringe - for at danne det manglende led mellem små kulstofmolekyler og kulstofholdige nanopartikler eller interstellare korn. PAH'erne sammen med deres hydrogenerede, alkyleret, protonerede og ioniserede modstykker er typisk forbundet med diffuse interstellare bånd (DIB'er) fra det synlige til det nære infrarøde og det uidentificerede infrarøde (UIR) emissionsområde.

Forbindelserne omfatter omkring 20 procent af kulstofbudgettet i galaksen inklusive kulstofholdige kondritter (meteoritter) såsom Murchison, Allende, og Orgueil for at slå til lyd for en cirkumstellær oprindelse af aromater i kulstofrige asymptotiske gigantiske grenstjerner (AGB). PAH'erne udgjorde også descendent planetariske tåger af AGB-stjerner baseret på hydrogenabstraktion-carbon addition (HACA) sekvenser. Når først det er dannet, imidlertid, interstellare PAH'er ødelægges hurtigt af galaktiske kosmiske stråler, fotolyse og chokbølger med levetider på kun 10 ⁸ flere år. Som resultat, PAH'er bør hverken eksistere i det interstellare medium eller i meteoritter, og derfor er deres allestedsnærværende et paradoks i astrofysikken. Denne inkonsekvens kan løses ved at antage, at der eksisterer en hidtil uhåndgribelig lavtemperaturrute for hurtig vækst af PAH'er i det interstellare medium for at overvinde deres ødelæggelse. Identifikationen af ​​sådanne lavtemperaturveje vil hjælpe med at udrede oprindelsen af ​​PAH'er, der indeholder fem-leddede ringe, såsom inden på det mest fundamentale, mikroskopisk niveau.

Holdet kombinerede krydsmolekylære strålereaktive spredningseksperimenter med elektroniske strukturberegninger og astrokemiske undersøgelser for at forstå den uventede gasfasekemi initieret af en enkelt kollisionshændelse. Sådanne fænomener fungerede ved temperaturer så lave som 10 K til stede i molekylære skyer såsom Taurus molekylære sky (TMC-1) og Orion molekylære sky. Den hidtil ukendte methylidyn addition-cyclization-aromatization (MACA) mekanisme, der blev udforsket i dette arbejde, repræsenterede en barrierefri vej til dannelse af inden i de molekylære skyer via hurtig gasfasekemi. Resultaterne anfægtede etablerede paradigmer ved at antyde, at lav temperatur startede dannelsen af ​​indene, de allerførste aromatiske molekyler i det interstellare medium. Kulstofrygraden af ​​inden repræsenterede også en grundlæggende molekylær byggesten af ​​ikke-plane PAH'er og kan føre til interstellar fulleren (C _60, C ₇₀ ) dannelse.

Mekanismer for inden-dannelse

Da elementære reaktioner af methylidyn-radikalet og styren i gasfasen dannede inden-molekylet, teamet kombinerede disse fund med simuleringer og statistikker for at foreslå den underliggende reaktionsmekanisme. Beregningerne afslørede, hvordan methylidyn-radikalet kunne tilføjes barriereløst enten til π-elektrondensiteten af ​​carbon-carbon-dobbeltbindingen af ​​vinyldelen (C ₂ H ₃ ) eller til den aromatiske ring. Under tilsætning af methylidyn til vinyldelen, de observerede en række termodynamisk stabile reaktioner, efterfulgt af cykliseringsreaktioner for at udsende atomært hydrogen ledsaget af inden, i en overordnet eksoerg reaktion. Den alternative methylidynadditionsreaktion til benzendelen var forholdsvis mere kompleks. Efter at have identificeret seks mulige reaktionsveje for at danne de forventede produkter, holdet udforskede Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) teori om kemisk kinetik for at forudsige den dominerende reaktionsvej for at danne indeen. De viste, hvordan inden ikke kunne dannes af sig selv i fravær af hydrogenatomer, der stammer fra methylidynreaktanten.

Astrokemiske modeller

Ved hjælp af astrokemiske modeller, Doddipatla et al. studerede derefter, hvordan disse laboratorieresultater kunne overføres til det interstellare medium. De eksperimentelle resultater tilvejebragte vitale kriterier for, at reaktionen kunne forekomme i lavtemperaturmiljøer såsom molekylære skyer, hvor både methylidyn- og styrenreaktanter findes. For eksempel, methylidyn-radikaler kan genereres inden for det interne ultraviolette (UV) fotonfelt dybt inde i molekylære skyer. Forskerne udførte derfor astrokemiske simuleringer for den kolde Taurus molekylære sky (TMC-1) ved hjælp af Nautilus V1.1-koden, at udforske effektiviteten af ​​MACA-mekanismen under inden-dannelse i det interstellare medium. Resultaterne viste, at mens astronomisk påvisning af inden i TMC-1 var udfordrende, det var teknisk muligt at udføre eksperimenterne med højspektral opløsning og høj følsomhed ved at bruge Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) eller Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

På denne måde Srinivas Doddipatla og kolleger kombinerede krydsede molekylære bjælker, elektronisk struktur og astrokemisk modellering for at afsløre den potentielle dannelse af inden over varme, kulstofrige stjerner og planetariske stjernetåger, såvel som i kolde molekylære skyer. Mekanismen involverede en simpel, barrierefri reaktion baseret på den enkleste organiske radikal methylidyn med styren. Arbejdet repræsenterede et vigtigt skridt til at forstå de grundlæggende kemiske processer, der danner inden og ikke-plane polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er) i lavtemperaturmiljøer i dybt rum. I betragtning af den afgørende rolle, som ikke -plane PAH'er spiller i dannelsen af ​​kulstofholdige kosmiske støvpartikler, almindeligvis kendt som interstellare korn under den kemiske udvikling af universet, at forstå de elementære trin, der fører til kosmisk støvpartikeldannelse, vil øge den astrokemiske bevidsthed om vores galakse.

© 2021 Science X Network