Ett team av forskare har upptäckt en ny möjlig väg mot att bilda kolstrukturer i rymden med hjälp av en specialiserad kemisk prospekteringsteknik vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Teamets forskning har nu identifierat flera vägar genom vilka ringade molekyler som kallas polycykliska aromatiska kolväten, eller PAH, kan bildas i rymden. Den senaste studien är en del av en pågående ansträngning att spåra de kemiska stegen som leder till bildandet av komplexa kolinnehållande molekyler i djupt utrymme.

PAH - som också förekommer på jorden i utsläpp och sot från förbränning av fossila bränslen - kan ge ledtrådar till bildandet av livets kemi i rymden som föregångare till interstellära nanopartiklar. De beräknas stå för cirka 20 procent av allt kol i vår galax, och de har de kemiska byggstenarna som behövs för att bilda 2-D och 3-D kolstrukturer.

I den senaste studien, publicerad i Naturkommunikation , forskare producerade en kedja av ringade, kolhaltiga molekyler genom att kombinera två mycket reaktiva kemiska arter som kallas fria radikaler eftersom de innehåller oparade elektroner. Studien visade slutligen hur dessa kemiska processer kan leda till utvecklingen av kolhaltiga PAH:er av grafentyp och 2-D-nanostrukturer. Grafen är ett atom-tjockt lager av kolatomer.

Viktigt, studien visade ett sätt att ansluta en femsidig (femkantig) molekylring med en sexsidig (sexkantig) molekylring och även att konvertera femsidiga molekylringar till sexsidiga ringar, som är en språngbräda till ett bredare utbud av stora PAH -molekyler.

"Detta är något som människor har försökt mäta experimentellt vid höga temperaturer men inte gjort tidigare, "sa Musahid Ahmed, en forskare vid Berkeley Labs division för kemiska vetenskaper. Han ledde de kemiska blandningsförsöken vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) med professor Ralf I. Kaiser vid University of Hawaii i Manoa. "Vi tror att detta är ännu en väg som kan ge upphov till PAH."

Professor Alexander M. Mebel vid Florida International University bistod i beräkningsarbetet för studien. Tidigare studier av samma forskargrupp har också identifierat ett par andra vägar för PAH:er att utvecklas i rymden. Studierna tyder på att det kan finnas flera kemiska vägar för livets kemi att ta form i rymden.

"Det kan vara allt ovan, så att det inte bara är en, "Sade Ahmed." Jag tror att det är det som gör det här intressant. "

Experimenten på Berkeley Labs ALS -som producerar röntgenstrålar och andra typer av ljus som stöder många olika typer av samtidiga experiment -använde en bärbar kemisk reaktor som kombinerar kemikalier och sedan sprider ut dem för att studera vilka reaktanter som bildades i den uppvärmda reaktorn.

Forskare använde en ljusstråle inställd på en våglängd som kallas "vakuum ultraviolett" eller VUV producerad av ALS, i kombination med en detektor (kallad en reflektrons mass-spektrometer vid tidpunkt för flygning), för att identifiera de kemiska föreningarna som strömmar ut ur reaktorn vid supersoniska hastigheter.

Den senaste studien kombinerade de kemiska radikalerna CH3 (alifatisk metylradikal) med C9H7 (aromatisk 1-indenylradikal) vid en temperatur av cirka 2, 105 Fahrenheit grader för att slutligen producera molekyler av en PAH som kallas naftalen (C10H8) som består av två sammanfogade bensenringar.

De förutsättningar som krävs för att producera naftalen i rymden finns i närheten av kolrika stjärnor, studien noterade.

Reaktanterna producerade av två radikaler, studienoteringarna, hade teoretiserats men inte hade demonstrerats tidigare i en högtemperaturmiljö på grund av experimentella utmaningar.

"De radikala är kortlivade -de reagerar med sig själva och reagerar med allt annat omkring sig, "Sade Ahmed." Utmaningen är, 'Hur genererar du två radikaler samtidigt och på samma plats, i en extremt varm miljö? ' Vi värmde upp dem i reaktorn, de kolliderade och bildade föreningarna, och sedan drev vi ut dem ur reaktorn. "

Kaiser sa, "I flera decennier har radikal-radikala reaktioner har spekulerats för att bilda aromatiska strukturer i förbränningslågor och i rymden, men det har inte funnits mycket bevis för denna hypotes. "Han tillade, "Föreliggande experiment ger tydligt vetenskapligt bevis för att reaktioner mellan radikaler vid förhöjda temperaturer verkligen bildar aromatiska molekyler som naftalen."

Medan metoden som används i denna studie försökte beskriva hur specifika typer av kemiska föreningar bildas i rymden, forskarna noterade att de metoder som används kan också belysa bredare studier av kemiska reaktioner som involverar radikaler utsatta för höga temperaturer, såsom inom materialkemi och materialsyntes.