Forskare har använt laboratorieexperiment för att spåra de kemiska stegen som leder till skapandet av komplexa kolväten i rymden, visar vägar för att bilda 2D-kolbaserade nanostrukturer i en blandning av uppvärmda gaser.

Den senaste studien, som innehöll experiment vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), kan hjälpa till att förklara förekomsten av pyren, som är en kemisk förening känd som ett polycykliskt aromatiskt kolväte, och liknande föreningar i vissa meteoriter.

Ett team av forskare, inklusive forskare från Berkeley Lab och UC Berkeley, deltog i studien, publicerad 5 mars i Natur Astronomi tidning. Studien leddes av forskare vid University of Hawaii i Manoa och involverade även teoretiska kemister vid Florida International University.

"Det är så vi tror att några av de första kolbaserade strukturerna utvecklades i universum, "sa Musahid Ahmed, en vetenskapsman vid Berkeley Labs Chemical Sciences Division som gick med andra teammedlemmar för att utföra experiment vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS).

"Från enkla gaser, du kan generera endimensionella och tvådimensionella strukturer, och pyren kan leda dig till 2-D grafen, Ahmed sa. "Därifrån kan du komma till grafit, och utvecklingen av mer komplex kemi börjar."

Pyren har en molekylstruktur som består av 16 kolatomer och 10 väteatomer. Forskare fann att samma upphettade kemiska processer som ger upphov till bildandet av pyren också är relevanta för förbränningsprocesser i fordonsmotorer, till exempel, och bildandet av sotpartiklar.

Den senaste studien bygger på tidigare arbete som analyserade kolväten med mindre molekylära ringar som också har observerats i rymden, inklusive i Saturnus måne Titan - nämligen bensen och naftalen.

Ralf I. Kaiser, en av studiens huvudförfattare och en kemiprofessor vid University of Hawaii i Manoa, sa, "När dessa kolväten först sågs i rymden, folk blev väldigt exalterade. Det var frågan om hur de bildades." Formades de rent genom reaktioner i en blandning av gaser, eller bildades de på en vattnig yta, till exempel?

Ahmed sa att det finns ett samspel mellan astronomer och kemister i detta detektivarbete som försöker återberätta historien om hur livets kemiska prekursorer bildades i universum.

"Vi pratar mycket med astronomer eftersom vi vill ha deras hjälp med att ta reda på vad som finns där ute, Ahmed sa, "och det informerar oss om att tänka på hur det kom dit."

Kaiser noterade att fysikaliska kemister, å andra sidan, kan hjälpa till att belysa reaktionsmekanismer som kan leda till syntes av specifika molekyler i rymden.

Pyren tillhör en familj som kallas polycykliska aromatiska kolväten, eller PAH, som beräknas stå för cirka 20 procent av allt kol i vår galax. PAH är organiska molekyler som är sammansatta av en sekvens av sammansmälta molekylära ringar. För att utforska hur dessa ringar utvecklas i rymden, forskare arbetar med att syntetisera dessa molekyler och andra omgivande molekyler som man vet finns i rymden.

Alexander M. Mebel, en kemiprofessor vid Florida International University som deltog i studien, sa, "Du bygger upp en ring i taget, och vi har gjort dessa ringar större och större. Detta är ett mycket reduktionistiskt sätt att se på livets ursprung:en byggsten i taget."

För denna studie, forskare utforskade de kemiska reaktionerna som härrör från en kombination av ett komplext kolväte känt som 4-fenantrenylradikalen, som har en molekylstruktur som inkluderar en sekvens av tre ringar och innehåller totalt 14 kolatomer och nio väteatomer, med acetylen (två kolatomer och två väteatomer).

Kemiska föreningar som behövs för studien var inte kommersiellt tillgängliga, sa Felix Fischer, en biträdande professor i kemi vid UC Berkeley som också bidrog till studien, så hans labb förberedde proverna. "Dessa kemikalier är väldigt tråkiga att syntetisera i laboratoriet, " han sa.

På ALS, forskare injicerade gasblandningen i en mikroreaktor som värmde provet till en hög temperatur för att simulera närheten till en stjärna. ALS genererar ljusstrålar, från infraröd till röntgenvåglängder, att stödja en rad vetenskapliga experiment av besökande och interna forskare.

Blandningen av gaser sprutades ut ur mikroreaktorn genom ett litet munstycke med överljudshastigheter, stoppa den aktiva kemin i den uppvärmda cellen. Forskargruppen fokuserade sedan en stråle av vakuum ultraviolett ljus från synkrotronen på den uppvärmda gasblandningen som slog bort elektroner (en effekt som kallas jonisering).

De analyserade sedan kemin som äger rum med hjälp av en detektor för laddade partiklar som mätte de varierande ankomsttiderna för partiklar som bildades efter jonisering. Dessa ankomsttider bar de tydliga signaturerna från modermolekylerna. Dessa experimentella mätningar, tillsammans med Mebels teoretiska beräkningar, hjälpte forskare att se de mellanliggande stegen i kemin i spel och att bekräfta produktionen av pyren i reaktionerna.

Mebels arbete visade hur pyren (en molekylstruktur med fyra ringar) kunde utvecklas från en förening som kallas fenantren (en struktur med tre ringar). Dessa teoretiska beräkningar kan vara användbara för att studera en mängd olika fenomen, "från förbränningslågor på jorden till utflöden av kolstjärnor och det interstellära mediet, sa Mebel.

Kaiser lade till, "Framtida studier kan studera hur man skapar ännu större kedjor av ringade molekyler med samma teknik, och att utforska hur man bildar grafen från pyrenemi."

Andra experiment som gjorts av teammedlemmar vid University of Hawaii kommer att utforska vad som händer när forskare blandar kolvätegaser under isiga förhållanden och simulerar kosmisk strålning för att se om det kan orsaka skapandet av livbärande molekyler.

"Är det här en trigger nog?" sa Ahmed. "Det måste finnas lite självorganisering och självmontering" för att skapa livsformer. "Den stora frågan är om detta är något som, inneboende, fysikens lagar tillåter."