Det interstellära mediet och förbränningssystemen innehåller polycykliska aromatiska kolväten (PAH) som grundläggande molekylära byggstenar som bildar fullerener och kolhaltiga nanostrukturer. Dock, forskare har ännu inte undersökt och förstå aromatiska molekyler som bär femledade ringar som bildar de väsentliga byggstenarna för icke-planära polycykliska aromatiska kolväten (PAH), som så småningom leder till bildandet av interstellära korn eller kolhaltigt kosmiskt stoft. I en ny rapport som nu publiceras i Vetenskapens framsteg , Srinivas Doddipatla och ett team av forskare inom kemi, fysik och astronomi i USA och Ryssland utforskade konceptet med experiment med korsade molekylstrålar, elektroniska strukturberäkningar och astrokemisk modellering. Arbetet avslöjade en ovanlig väg för att bilda inden (C ₉ H ₈ )—en prototyp av aromatisk molekyl med en femledad ring. Mekanismen baserades på en barriärfri biomolekylär reaktion som involverade den enklaste organiska radikalen – metylidyn (CH) och styren (C) ₆ H ₅ C ₂ H ₃ 20 mekanismen (MACA) via en hittills svårfångad metylidynadditionscykliseringsaromatiseringsmekanism (MACA). Arbetet erbjuder ett nytt koncept om lågtemperaturkemin hos kol som finns i galaxen.

Interstellär kemi

I det här arbetet, Doddipatla et al. avslöjade syntesen av indenmolekyler baserad på elementära reaktioner mellan den enklaste organiska radikalen metylidyn med styrenmolekyler under enkla kollisionsförhållanden. Enligt en hypotes som föreslogs av Léger och Puget 1984, polycykliska aromatiska kolväten (PAH) antogs vara gjorda av smälta bensenringar – för att bilda den felande länken mellan små kolmolekyler och kolhaltiga nanopartiklar eller interstellära korn. PAH:erna vid sidan av deras hydrerade, alkylerad, protonerade och joniserade motsvarigheter är vanligtvis associerade med diffusa interstellära band (DIB) från det synliga till det nära infraröda och det oidentifierade infraröda (UIR) emissionsområdet.

Föreningarna omfattar cirka 20 procent av kolbudgeten inom galaxen inklusive kolhaltiga kondriter (meteoriter) som Murchison, Allende, och Orgueil för att förespråka ett cirkumstellärt ursprung för aromater i kolrika asymptotiska jättegrenstjärnor (AGB). PAH:erna utgjorde också nedstigande planetariska nebulosor av AGB-stjärnor baserade på väteabstraktion-koladditionssekvenser (HACA). När den väl har bildats, dock, interstellära PAH förstörs snabbt av galaktiska kosmiska strålar, fotolys och chockvågor med livstider på endast 10 ⁸ år. Som ett resultat, PAH bör varken existera i det interstellära mediet eller i meteoriter och därför utgör deras allestädes närvarande en paradox inom astrofysik. Denna inkonsekvens kan lösas genom att anta att det finns en hittills svårfångad lågtemperaturväg för den snabba tillväxten av PAH i det interstellära mediet för att övervinna deras förstörelse. Identifieringen av sådana lågtemperaturvägar kommer att hjälpa till att reda ut ursprunget till PAH:er som innehåller femledade ringar såsom inden på det mest grundläggande, mikroskopisk nivå.

Teamet kombinerade experiment med reaktiv spridning med korsad molekylstråle med elektroniska strukturberäkningar och astrokemiska studier för att förstå den oväntade gasfaskemin som initierades av en enda kollisionshändelse. Sådana fenomen fungerade vid temperaturer så låga som 10 K närvarande i molekylära moln som Taurus molekylära moln (TMC-1) och Orion molekylära moln. Den hittills okända mekanismen för metylidynaddition-cyklisering-aromatisering (MACA) som utforskats i detta arbete representerade en barriärfri väg för att bilda inden i de molekylära molnen via snabb gasfaskemi. Fynden ifrågasatte etablerade paradigm genom att antyda att låg temperatur initierade bildningen av inden, de allra första aromatiska molekylerna i det interstellära mediet. Kolryggraden i inden representerade också en grundläggande molekylär byggsten av icke-planära PAH och kan leda till interstellär fulleren (C _60, C ₇₀ ) bildning.

Mekanismer för bildning av inden

Eftersom elementära reaktioner av metylidynradikalen och styren i gasfasen bildade indenmolekylen, teamet kombinerade dessa fynd med simuleringar och statistik för att föreslå den underliggande reaktionsmekanismen. Beräkningarna avslöjade hur metylidynradikalen kunde tillsättas barriärfritt antingen till π-elektrondensiteten för kol-kol-dubbelbindningen i vinyldelen (C ₂ H ₃ ) eller till den aromatiska ringen. Under tillsats av metylidyn till vinyldelen, de observerade en serie termodynamiskt stabila reaktioner, följt av cykliseringsreaktioner för att avge atomärt väte åtföljt av inden, i en övergripande exoergisk reaktion. Den alternativa metylidynadditionsreaktionen till bensendelen var jämförelsevis mer komplex. Efter att ha identifierat sex möjliga reaktionsvägar för att bilda de förväntade produkterna, teamet utforskade Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) kemisk kinetikteorin för att förutsäga den dominerande reaktionsvägen för att bilda inden. De visade hur inden inte kunde bildas av sig självt i frånvaro av väteatomer som härstammar från metylidynreaktanten.

Astrokemiska modeller

Med hjälp av astrokemiska modeller, Doddipatla et al. studerade sedan hur dessa labbresultat kunde överföras till det interstellära mediet. De experimentella fynden gav viktiga kriterier för att reaktionen skulle inträffa i lågtemperaturmiljöer som molekylära moln, där både metylidyn- och styrenreaktanter finns. Till exempel, metylidynradikalerna kan genereras inom det interna ultravioletta (UV) fotonfältet djupt inne i molekylära moln. Forskarna genomförde därför astrokemiska simuleringar för det kalla Taurus molekylära molnet (TMC-1) med hjälp av Nautilus V1.1-koden, att utforska effektiviteten av MACA-mekanismen under indenbildning i det interstellära mediet. Resultaten visade att även om astronomiskt detektering av inden i TMC-1 var utmanande, det var tekniskt möjligt att utföra experimenten med hög spektral upplösning och hög känslighet genom att använda Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) eller Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

På det här sättet, Srinivas Doddipatla och kollegor kombinerade korsade molekylära strålar, elektronisk struktur och astrokemisk modellering för att avslöja den potentiella bildningen av inden över heta, kolrika stjärnor och planetariska nebulosor, såväl som i kalla molekylära moln. Mekanismen involverade en enkel, barriärfri reaktion baserad på den enklaste organiska radikalen metylidyn med styren. Arbetet representerade ett viktigt steg för att förstå de grundläggande kemiska processerna som bildar inden och icke-planära polycykliska aromatiska kolväten (PAH) i lågtemperaturmiljöer i rymden. Med tanke på den avgörande roll som icke-planära PAH spelar i bildandet av kolhaltiga kosmiska dammpartiklar, allmänt kända som interstellära korn under universums kemiska utveckling, att förstå de elementära stegen som leder till kosmisk stoftpartikelbildning kommer att öka den astrokemiska medvetenheten om vår galax.

© 2021 Science X Network