Forskare planerar att syntetisera en klass av kemiska föreningar för att avgöra om de är en viktig byggsten för att skapa galaxer.

Teamet från Imperial College London har fått startfinansiering från Institute of Molecular Science and Engineering (IMSE) för att gå vidare med ett nytt projekt. Syftet är att använda syntetisk kemi för att framställa flera aza-polycykliska aromatiska kolväten (aza-PAH) som föreslås ingå i det interstellära mediet. Målföreningarna är mycket sällsynta på jorden och kan innehålla nyckeln till att förstå mer om stjärnors födelse, och bildandet av solsystem och galaxer.

Professor Mark Sephton, Chef för institutionen för geovetenskap och teknik, tillsammans med Dr Wren Montgomery, även från avdelningen, samarbetar med Dr Matthew Fuchter, från Imperial's Department of Chemistry. Denna grupp är en av de första, tillsammans med sex andra nya forskningsprojekt för att få finansiering från IMSE:s proof-of-concept såddfinansieringsinitiativ.

Colin Smith kom i kontakt med Drs Montgomery och Fuchter för att lära sig mer om aza-PAH och vad syntesen av dem i labbet kan betyda för vår förståelse av universum.

Dr Wren Montgomery, Institutionen för geovetenskap och teknik

Vad är aza-PAH?

Dessa består av ringar av kolatomer tillsammans med några kväveatomer. Forskare klassificerar dem som antingen "mindre" eller "större" beroende på antalet kolringar de innehåller.

Var finns de?

På jorden, mindre aza-PAH (två till tre ringar) är föroreningar förknippade med asfalt och tjära.

Ute i det vidare universum, större aza-PAH (sju ringar eller fler) tros vara en viktig del av det interstellära mediet (ISM). Detta är den materia som finns i rymden mellan stjärnsystem i galaxer. Detta ämne inkluderar gas i jonisk, atom, och molekylära former, samt damm och kosmiska strålar. Den fyller det interstellära rymden och smälter in i det omgivande intergalaktiska rymden.

Forskare tror att större aza-PAH är viktiga ingredienser i ISM, men det har tidigare inte varit möjligt att få tillräckligt med rena prover av dessa på jorden för att göra mätningar i ett laboratorium för att avgöra om denna hypotes är korrekt.

Hur kommer denna startfinansiering att hjälpa oss att lära oss mer om dem?

Vi planerar att skapa syntetiska aza-PAH i laboratoriet och studera dem med hjälp av en enhet som kallas Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), som använder ljus i det infraröda spektrumet för att studera molekyler i detalj.

För närvarande, astronomer använder infraröda instrument för att studera ISM. Vi planerar att göra en direkt jämförelse mellan våra syntetiserade prover och den faktiska ISM. Detta kommer att hjälpa oss att avslöja naturen och fördelningen av de organiska byggstenarna i kosmos och dess planetsystem.

Vi planerar också att studera aza-PAH i högtrycksmiljöer. Detta kommer att hjälpa oss att förstå hur de förändras eller möjligen förstörs av processerna för stjärnor och planeter som bildas.

Om du lyckas skapa aza-PAH i labbet, vad kan det berätta om universum?

För det första, att ha ett prov kan verifiera de befintliga modeller som utvecklats av forskare och berätta för oss om aza-PAH finns i ISM eller inte.

Om de är närvarande, då kommer deras beteende under högt tryck att berätta något om vad som händer med dem när molekylmolnet kondenserar och bildar planeter. De är väldigt få på jorden idag, så kanske vårt arbete kan kasta lite ljus över vart de har tagit vägen.

Vilka är några av utmaningarna med detta projekt?

Denna klass av kemisk förening kommer att vara mycket svår att "tillverka" i labbet. Vi kommer att täcka ny mark när det gäller hur vi arbetar med Mark Fuchter på Imperials avdelning för kemi. En av de stora utmaningarna för oss blir att hitta ett sätt för våra två olika vetenskaper att "prata" med varandra så att vi kan nå våra mål. Det kommer att bli en väldigt spännande och kreativ process.

Dr Matthew Fuchter, Institutionen för kemi

Vilka unika egenskaper kommer du att tillföra detta projekt?

Min grupp har expertis inom syntetisk kemi:förmågan att bygga mer komplexa molekyler från enkla prekursorer.

Särskilt, vi har utvecklat metoder för att konstruera polycykliska aromatiska föreningar – en viktig målmolekylklass för vår forskning – och har därför rätt bakgrund för att försöka konstruera de målmolekyler som behövs för detta projekt.

Varför är denna såddfinansiering viktig?

Dessa målmolekyler har aldrig tillverkats i tillräckliga mängder för att kunna karakteriseras fullt ut av forskare, så deras syntes och studier skulle bli en världsnyhet.

Finns det andra tillämpningar för denna forskning?

Utöver de specifika syftena med detta projekt, de kemiska föreningarna bör ha andra intressanta tillämpningar. Till exempel, de skulle kunna användas vid konstruktion av organiska elektroniska apparater. Ett nyckelexempel på nuvarande organisk elektronisk teknik är lysdioderna, som för närvarande används i smartphone-skärmar.

Min grupp, tillsammans med medarbetare på Imperials institution för fysik, har ett pågående forskningsprogram, som avser användningen av nya kondenserade aromatiska molekyler i nya anordningar och material. Därför, Detta projekt kan dessutom skapa andra nya forskningsinriktningar för mina medarbetare och mig.

Vilka är fördelarna med att vara anpassad till IMSE?

Ett av IMSE:s huvudmål är att främja nya samarbeten mellan alla fyra fakulteterna på Imperial kring ambitiösa stora utmaningsprojekt. Genom sitt såddfinansieringssystem, Mark, Wren och jag har etablerat ett nytt samarbete mellan avdelningar med kompletterande styrkor för att arbeta med ett spännande, integrerat nytt projektområde.