Universal mekanisme til at forklare dannelsen af ​​kulstofnanopartikler i interstellare og terrestriske miljøer

Kulstofnanostrukturer, der er dannet i cirkumstellare hylstre omkring kulstofrige stjerner, kan have en fælles kemisk oprindelse med sodpartikler produceret ved brændstofforbrænding. Den samme reaktionsmekanisme kan understøtte hver proces, har KAUST-forskere vist. Den foreslåede mekanisme kan også føre til forbedrede metoder til fremstilling af kulstofnanomaterialer.

Kulstofrig nanopartikeldannelse - uanset om det er interstellær eller brændende i naturen - menes at være afhængig af forbindelser kaldet polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er), som er beslægtet med klynger af fusionerede benzenringe, der holdes sammen af ​​fælles kulstof-kulstof pi-bindinger. Adskillige mekanismer er blevet foreslået til at forklare, hvordan PAH'er kunne kombineres med andre kulstofmolekyler for at vokse til sod og relaterede kulstofnanopartikler.

"Alle disse undersøgelser er imidlertid utilstrækkelige til at forklare begyndelsen af ​​'peri-kondenserede aromatiske kulbrinter' med kun pi-bindinger mellem kulstofatomer, som kan være til stede i store mængder i flammer," siger Hanfeng Jin, en postdoc i Aamir Farooq's laboratorier, der ledede forskningen. "Vi har foreslået en ny mekanisme, der forklarer kernedannelsen af ​​perikondenserede aromatiske kulbrinter."

Holdet viste, at peri-kondenseret aromatisk kulbrintekernedannelse kunne forklares ved reaktioner mellem aromatiske arylmolekyler og phenylacetylen via en hydrogenabstraktions-phenylacetylen-additionsmekanisme (HAPaA). "Phenylacetylen dannes let og kan være til stede i betydelige mængder i flammer," forklarer Jin. Både benzen og acetylen, phenylacetylens forstadier, er kendt for at være afgørende mellemprodukter i astrokemi og forbrændingskemi, tilføjer han.

Forskerne brugte kvantekemiske beregninger til at vise, at peri-kondenserede aromatiske kulbrinter kan vokse ved tilsætning af phenylacetylen til zig-zag- og lænestolsformede strukturer rundt om arylmolekylets periferi. Det indledende trin i HAPaA-mekanismen har ingen energibarriere, så det er lige så relevant for både lavtemperatur interstellar kemi og høj temperatur forbrænding.

HAPaA-reaktionsmellemprodukter og produkter forudsagt af teori blev bekræftet eksperimentelt ved hjælp af avanceret synkrotronvakuum ultraviolet fotoioniseringsmolekylær strålemassespektrometri, siger Jin. HAPaA-mekanismen var også anvendelig til større molekylære analoger af phenylacetylen, hvilket muliggjorde gentagne cyklusser af PAH-klyngning mod dannelse af kulstofholdige nanopartikler.

"Det smukke ved vores foreslåede mekanisme, sammenlignet med de traditionelle veje for PAH-dannelse og -vækst, er, at den er universelt anvendelig," siger Farooq. "Denne mekanistiske forståelse ville hjælpe os med at begrænse dannelsen af ​​sodpartikler fra forbrændingssystemer, for eksempel ved at bruge kemiske forbindelser, der undertrykker zig-zag og lænestols periferi, hvilket øger effektiviteten af ​​HAPaA-mekanismen," siger han. "På samme måde kan vores foreslåede mekanisme bruges til at øge pålideligheden af ​​modeller, der bruges til at forudsige udviklingen af ​​kulstof i de interstellare medier."

Undersøgelsen vises i Journal of the American Chemical Society . + Udforsk yderligere

Et radikalt skift for at forbinde soddannelse og interstellar udvikling