Nøglen til kulfrie biler? Se til stjernerne

I næsten et halvt århundrede, astrofysikere og organiske kemikere har været på jagt efter oprindelsen til C ₆ H ₆ , benzenringen - en elegant, sekskantet molekyle bestående af 6 carbon- og 6 hydrogenatomer.

Astrofysikere siger, at benzenringen kunne være den grundlæggende byggesten for polycyliske aromatiske kulbrinter eller PAH'er, de mest basale materialer dannet fra eksplosionen af ​​døende, kulstofrige stjerner. Den hvirvlende masse af stof vil i sidste ende give form til de tidligste former for kulstof - forstadier til molekyler, som nogle forskere siger, er forbundet med syntesen af ​​de tidligste former for liv på Jorden.

Paradoksalt nok, PAH'er har en mørk side, også. De industrielle processer bag råolieraffinaderier og den indre funktion af gasdrevne forbrændingsmotorer kan udsende PAH'er, som kan snebold til giftige luftforurenende stoffer som sod.

Præcis hvordan den første benzenring blev dannet af stjerner i det tidlige univers - og hvordan forbrændingsmotorer udløser den kemiske reaktion, der ændrer benzenringen til sodpartikelforurenende stoffer - har længe mystificeret videnskabsmænd.

Men nu, forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), University of Hawaii i Manoa, og Florida International University har demonstreret den første realtidsmåling, ved hjælp af laboratoriebaserede metoder, af ustabile partikler kaldet frie radikaler, der reagerer under kosmiske forhold, får elementære carbon- og hydrogenatomer til at smelte sammen til primære benzenringe.

Forskerne siger, at deres fund, for nylig offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , er nøglen til at forstå, hvordan universet udviklede sig med væksten af ​​kulstofforbindelser. Den indsigt kan også hjælpe bilindustrien med at lave renere forbrændingsmotorer.

En type frie radikaler kaldet propargylradikalen (C ₃ H ₃ ) er ekstremt reaktiv på grund af dens tilbøjelighed til at miste en elektron, og har været involveret i soddannelse i årtier. Forskere mente, at rekombinationen af ​​to frie propargylradikaler, C ₃ H ₃ · + C ₃ H ₃ ·, gav anledning til den første aromatiske ring, benzen.

Den aktuelle undersøgelse er den første demonstration af den såkaldte "radikal propargyl-selvreaktion" under astrokemiske og forbrændingsforhold. Ved hjælp af en høj temperatur, kemisk reaktor på møntstørrelse kaldet "den varme dyse, "Forskerne simulerede højtrykket, miljøer ved høj temperatur inde i en forbrændingsmotor samt kulbrinte-rig atmosfære på Saturns måne Titan, og observerede dannelsen af ​​isomerer - molekyler med samme kemiske formel, men forskellige atomare strukturer - fra to propargylradikaler, der fører op til benzenringen.

Hot-dyse teknikken, hvilken medforfatter forfatter Musahid Ahmed, senior videnskabsmand i Berkeley Labs Chemical Sciences Division, tilpasset for 10 år siden på Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) til synkrotroneksperimenter, er afhængig af vakuum ultraviolet (VUV) spektroskopi for at detektere individuelle isomerer. ALS er en type partikelaccelerator kendt som en synkrotron, der genererer ekstremt lyse lysstråler lige fra infrarød til røntgenstråler.

Forskerne styrede teknikken til at standse propargyl-radikal-selvreaktionen - som udfolder sig inden for mikrosekunder - lige før større PAH'er og efterfølgende soddannelse. Det overbevisende resultat understøtter forudsigelser fra forsøg ledet af co-seniorforfatter Ralf Kaiser, professor i kemi ved University of Hawaii i Manoa, og kvantekemi simuleringer formuleret af co-senior forfatter Alexander Mebel, professor i kemi ved Florida International University.

De mener, at fundet en dag kan føre til renere forbrændingsmotorer. At have mere effektive gasmotorer, nogle analytikere siger, er stadig vigtig, fordi det kan tage yderligere 25 år, før vi kan erstatte hele flåden af ​​gasbiler med elektriske køretøjer (EV'er). Desuden, at udstyre flyvemaskiner og den gasdrevne komponent i hybrid plug-in elbiler med renere forbrændingsmotorer kan hjælpe med at reducere CO ₂ emissioner, der bidrager til klimaændringer.

Ahmed sagde, at han planlægger at udvide de metoder, der anvendes til at studere PAH-vækst, og undersøge andre systemer af relevans for DOE -missionen, såsom vandafsaltning og miljøvidenskab.

"Vi vil også gerne ud og fange en buckyball, C ₆₀ , et af naturens største spor til hemmelighederne bag symmetri, " sagde Ahmed.

Kaiser tilføjede, at deres forskning kunne hjælpe astronomer med at tegne et kulstofkort over universet, og nul ind på den kosmiske oprindelse bag DNA's kulstoframmer.