Tittar på natthimlen, ens tankar kan dras till astrokemi. Vilka molekyler finns i de stora utrymmena mellan stjärnorna? Skulle vi se samma molekyler som omger oss här på jorden? Eller skulle några av dem vara mer exotiska – något som sällan observerats eller till och med okänt?

Ny forskning utförd av ett multinationellt team under ledning av prof. Robert Kołos från Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin har avslöjat en ovanlig molekyl som erhållits och upptäckts för första gången i laboratorieförhållanden och också banat väg för framställning och vidare studier annan. Nu när de kan ses och studeras, de kan visa sig värda ett större astrokemiskt intresse.

Interstellära moln – där historien börjar...

Mediet som genomsyrar utrymmet mellan stjärnor är huvudsakligen fyllt med väte, helium, och kosmiskt damm. Dock, genomsnittliga avstånd mellan atomer eller molekyler i dessa interstellära moln är så stora att hela dagar kan passera innan de kolliderar. I rymdens vakuum, tidens gång och strålningens påverkan är avgörande faktorer för utvecklingen av mer avancerade kemiska föreningar.

Eftersom de fysiska förhållandena som finns i interstellära moln skiljer sig drastiskt från dem på vår planet, upptäckten av några av de kemiska föreningar som finns i dem kräver avancerade studier på jorden. Som en del av detta, forskare skapar molekyler som normalt är instabila under jordförhållanden och forskar sedan om deras egenskaper. De upptäcker dem på jorden först så att vi lättare kan upptäcka dem i rymden. Låter intressant, men hur ser det ut i praktiken?

Fosfor menageri

Jupiter och Saturnus har varit i rampljuset i vårt eget solsystem i mer än två decennier på grund av upptäckten av fosfin (PH ₃ ), ammoniak analog, i deras atmosfärer. År 2020, alla ögon skiftade mot Venus efter påståenden att PH ₃ hade också hittats i dess atmosfär. Förekomsten av fosfin i ett astronomiskt objekt är betydelsefullt på grund av dess enorma betydelse för levande organismer.

Molekyler som innehåller fosfor är avgörande för enzymatiska processer som är ansvariga för bildandet av våra skeletts strukturella material, nukleinsyror som DNA och RNA, och även energitransport i alla levande celler. Även om det är det sjätte vanligaste grundämnet i jordens biomassa och det 12:e vanligaste på planeten totalt sett, det är en miljard gånger mindre förekommande i det interstellära mediet. På grund av deras sällsynthet, att upptäcka P-innehållande molekyler i interstellära moln fortsätter att intrigera forskare.

Vi vet väldigt lite om beteendet och existensen av P-innehållande molekyler under extrema interstellära förhållanden. Endast ett fåtal har hittats och är begränsade till PN, CP, PO, HCP, KKP, PH ₃ , och NCCP. Av dessa har endast PO och PN detekterats i molekylära moln. Det är möjligt att den låga förekomsten av reaktanter som innehåller fosfor i sådana medier gör bildningen av större molekyler ganska sällsynt och svår att upptäcka. Vi behöver också karakterisera ett bredare utbud av P-innehållande kemikalier så att vår sökning kan utökas till att omfatta ett större urval av lämpliga mål. Sökandet efter nya molekyler är utmanande eftersom många kända och lovande P-innehållande arter är instabila under typiska laboratorieförhållanden.

IPC PAS-forskarna:Dr. Arun-Libertsen Lawzer, Dr Thomas Custer, och prof. Robert Kołos, i samarbete med prof. Jean-Claude Guillemin vid Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes (Frankrike) har nyligen presenterat en effektiv, UV-ljusassisterad kryogen syntes av HCCP-molekylen, öppnar nya möjligheter för spektroskopisk undersökning av denna ovanliga kemiska förening. Det upptäcktes med hjälp av infraröd och UV-vis spektroskopi. Denna karakterisering bör vara användbar för möjliga framtida utomjordiska upptäckter.

"Vi använder ultraviolett för att dehydrera fosfor som innehåller organiska molekyler för att producera exotiska fosforarter. Vi kunde producera triplett HCCP som är en molekyl av astrokemisk betydelse. Knepet för att upptäcka det ligger i att använda miljön av en frusen inert gas, " anmärker Dr Lawzer.

Experimenten som utfördes som en del av projektet, och relevanta teoretiska studier visar att molekylen har en linjär form och en speciell kemisk bindning. Prof. Kołos kommenterar:"Du kanske har hört i din skoltid att fosfor var antingen 3- eller 5-valent i sina kemiska föreningar. Tja, här är det monovalent, har en enkelbindning till kol. Det här är faktiskt ganska ovanligt."

Forskarna bekräftade också förekomsten av CH ₂ =C=PH (fosfaalen), en molekyl som aldrig tidigare observerats. Den bildades längs vägen som leder från CH ₃ CP (prekursorarten) till HCCP.

Experiment med stöd av kvantkemiska beräkningar, nyligen rapporterat i Angewandte Chemie , har bevisat vad som en gång bara var en teoretisk konstruktion. "Om du frågade en vanlig kemist, några av de mest framträdande arterna av det astrokemiska menageriet skulle sannolikt förlöjligas som bara molekylära fragment snarare än äkta molekyler, " medger prof. Kołos.

Laboratoriekarakteriseringen av exotiska föreningar som HCCP och CH ₂ =C=PH markerar ett viktigt steg mot deras utomjordiska upptäckt. Och sådana upptäckter skulle avsevärt förbättra vår kunskap om fosfors astrokemi. Detta borde inspirera ännu fler forskare att se mot stjärnorna ovan...