En konstnärs föreställning som visar sfäriska kolmolekyler kända som buckyballs som kommer ut från en planetarisk nebulosa - material som utgjutits av en döende stjärna. Forskare vid University of Arizona har nu skapat dessa molekyler under laboratorieförhållanden som tros efterlikna de i deras "naturliga" livsmiljö i rymden. Kredit:NASA/JPL-Caltech
Forskare har länge varit förbryllade över förekomsten av så kallade "buckyballs" - komplexa kolmolekyler med en fotbollsliknande struktur - i hela det interstellära rymden. Nu, ett team av forskare från University of Arizona har föreslagit en mekanism för deras bildande i en studie publicerad i Astrofysiska tidskriftsbrev .
Kol 60, eller C 60 för korta, vars officiella namn är Buckminsterfullerene, kommer i sfäriska molekyler som består av 60 kolatomer organiserade i fem- och sexledade ringar. Namnet "buckyball" kommer från deras likhet med Richard Buckminster Fullers arkitektoniska arbete, som designade många kupolstrukturer som liknar C 60 . Deras bildande ansågs endast vara möjlig i labbmiljöer tills deras upptäckt i rymden utmanade detta antagande.
I årtionden, människor trodde att det interstellära rymden var beströdd med endast lätta molekyler:mestadels enstaka atomer, tvåatomsmolekyler och enstaka nio- eller 10-atomsmolekyler. Detta var fram till massiva C 60 och C 70 molekyler upptäcktes för några år sedan.
Forskare blev också förvånade över att finna att de bestod av rent kol. I labbet, C 60 tillverkas genom att spränga ihop rena kolkällor, såsom grafit. I rymden, C 60 upptäcktes i planetariska nebulosor, som är skräpet av döende stjärnor. Denna miljö har cirka 10, 000 vätemolekyler för varje kolmolekyl.
"Allt väte borde förstöra fullerensyntesen, " sa doktoranden i astrobiologi och kemi Jacob Bernal, huvudförfattare till tidningen. "Om du har en låda med bollar, och för varje 10:e 000 vätebollar du har ett kol, och du fortsätter att skaka dem, hur troligt är det att du får 60 kol att hålla ihop? Det är väldigt osannolikt."
Bernal och hans medförfattare började undersöka C 60 mekanism efter att ha insett att transmissionselektronmikroskopet, eller TEM, inrymt på Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility vid UArizona, kunde simulera den planetariska nebulosans miljö ganska bra.
TEM, som finansieras av National Science Foundation och NASA, har serienumret "1" eftersom det är den första i sitt slag i världen med sin exakta konfiguration. Det är 200, 000-volts elektronstråle kan undersöka materia ner till 78 picometers - skalor för små för den mänskliga hjärnan att förstå - för att se enskilda atomer. Den arbetar under vakuum med extremt låga tryck. Detta tryck, eller brist på sådan, i TEM är mycket nära trycket i cirkumstellära miljöer.
Tom Zega vid kontrollpanelen för det 12 fot höga transmissionselektronmikroskopet vid Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility vid UArizona Lunar and Planetary Lab. Instrumentet avslöjade att buckyballs hade bildats i prover som exponerats för förhållanden som tros spegla de i planetariska nebulosor. Kredit:Daniel Stolte/University Communications
"Det är inte så att vi nödvändigtvis har skräddarsytt instrumentet för att ha dessa specifika typer av tryck, sa Tom Zega, docent i UArizona Lunar and Planetary Lab och studiemedförfattare. "Dessa instrument fungerar vid den typen av mycket låga tryck, inte för att vi vill att de ska vara som stjärnor, men för att atmosfärens molekyler kommer i vägen när du försöker göra högupplösta bilder med elektronmikroskop."
Teamet samarbetade med det amerikanska energidepartementets Argonne National Lab, nära Chicago, som har en TEM som kan studera strålningssvar från material. De placerade kiselkarbid, en vanlig form av damm i stjärnor, i lågtrycksmiljön i TEM, utsatt den för temperaturer upp till 1, 830 grader Fahrenheit och bestrålade den med högenergixenonjoner.
Sedan, det togs tillbaka till Tucson för forskare att använda den högre upplösningen och bättre analytiska kapaciteten hos UArizona TEM. De visste att deras hypotes skulle valideras om de observerade kiselavfallet och exponera rent kol.
"Säker nog, kislet lossnade, och du blev kvar med lager av kol i sexledade ringar som kallas grafit, " sa medförfattaren Lucy Ziurys, Regents professor i astronomi, kemi och biokemi. "Och sedan när kornen hade en ojämn yta, femledade och sexledade ringar bildade och gjorde sfäriska strukturer som matchade diametern på C 60 . Så, vi tror att vi ser C 60 . "
Detta arbete antyder att C 60 härrör från kiselkarbiddamm från döende stjärnor, som sedan drabbas av höga temperaturer, stötvågor och högenergipartiklar, läcker kisel från ytan och lämnar kol efter sig. Dessa stora molekyler sprids eftersom döende stjärnor skjuter ut sitt material i det interstellära mediet - utrymmena mellan stjärnorna - och därmed förklarar deras närvaro utanför planetariska nebulosor. Buckyballs är mycket stabila mot strålning, gör att de kan överleva i miljarder år om de skyddas från rymdens hårda miljö.
"Förhållandena i universum där vi förväntar oss att komplexa saker förstörs är faktiskt de förhållanden som skapar dem, Bernal sa, och tillägger att konsekvenserna av resultaten är oändliga.
"Om denna mekanism bildar C 60 , det bildar förmodligen alla typer av kolnanostrukturer, " sa Ziurys. "Och om du läser den kemiska litteraturen, dessa anses alla vara syntetiska material som endast tillverkas i labbet, och ändå, det interstellära rymden verkar göra dem naturligt."
Om fynden är några tecken, det verkar som att universum har mer att berätta om hur kemi verkligen fungerar.
