I nästan ett halvt sekel, astrofysiker och organiska kemister har varit på jakt efter ursprunget till C ₆ H ₆ , bensenringen - en elegant, hexagonal molekyl bestående av 6 kol- och 6 väteatomer.

Astrofysiker säger att bensenringen kan vara den grundläggande byggstenen för polykyliska aromatiska kolväten eller PAH, de mest grundläggande materialen som bildas från explosionen av döende, kolrika stjärnor. Den virvlande massan av materia skulle så småningom ge form åt de tidigaste formerna av kol - föregångare till molekyler som vissa forskare säger är kopplade till syntesen av de tidigaste formerna av liv på jorden.

Paradoxalt, PAH har en mörk sida, för. De industriella processerna bakom råoljeraffinaderier och de inre funktionerna i gasdrivna förbränningsmotorer kan avge PAH, som kan snöboll till giftiga luftföroreningar som sot.

Exakt hur den första bensenringen bildades av stjärnor i det tidiga universum - och hur förbränningsmotorer utlöser den kemiska reaktionen som förändrar bensenringen till sotpartiklar - har länge mystifierat forskare.

Men nu, forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), University of Hawaii i Manoa, och Florida International University har visat den första realtidsmätningen, använda labbbaserade metoder, av instabila partiklar som kallas fria radikaler som reagerar under kosmiska förhållanden, får elementära kol- och väteatomer att koalescera till primära bensenringar.

Forskarna säger att deras resultat, nyligen publicerad i tidskriften Vetenskapens framsteg , är nyckeln till att förstå hur universum utvecklades med tillväxten av kolföreningar. Den insikten skulle också kunna hjälpa bilindustrin att göra renare förbränningsmotorer.

En typ av fri radikal som kallas propargylradikal (C ₃ H ₃ ) är extremt reaktiv på grund av dess benägenhet att förlora en elektron, och har varit inblandad i sotbildning i decennier. Forskare trodde att rekombinationen av två fria propargylradikaler, C ₃ H ₃ · + C ₃ H ₃ ·, gav upphov till den första aromatiska ringen, bensen.

Den aktuella studien är den första demonstrationen av den så kallade "radikala propargylsjälvreaktionen" under astrokemiska och förbränningsförhållanden. Med hjälp av en hög temperatur, myntstor kemisk reaktor kallad "hett munstycke, "Forskarna simulerade högtrycket, högtemperaturmiljö inuti en förbränningsmotor såväl som den kolväterika atmosfären av Saturnus måne Titan, och observerade bildandet av isomerer – molekyler med samma kemiska formel men olika atomstrukturer – från två propargylradikaler som leder fram till bensenringen.

Varmmunstyckstekniken, vilken co-senior författare Musahid Ahmed, senior forskare vid Berkeley Labs Chemical Sciences Division, anpassad för 10 år sedan på Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) för synkrotronförsök, förlitar sig på vakuum ultraviolett (VUV) spektroskopi för att detektera individuella isomerer. ALS är en typ av partikelaccelerator känd som en synkrotron som genererar extremt ljusa strålar av ljus som sträcker sig från infrarött till röntgenstrålar.

Forskarna styrde tekniken för att stoppa propargylradikal självreaktion-som utspelar sig inom mikrosekunder-strax före större PAH och efterföljande sotform. Det övertygande resultatet stöder förutsägelser från experiment som leds av författaren Ralf Kaiser, professor i kemi vid University of Hawaii i Manoa, och kvantkemi simuleringar formulerade av co-senior författare Alexander Mebel, professor i kemi vid Florida International University.

De tror att fyndet en dag kan leda till renare förbränningsmotorer. Med effektivare gasmotorer, vissa analytiker säger, är fortfarande viktigt, eftersom det kan ta ytterligare 25 år innan vi kan ersätta hela flottan av gasbilar med elfordon (EV). Vidare, att utrusta flygplan och den gasdrivna komponenten i hybrid-plug-in-elbilar med renare förbränningsmotorer kan bidra till att minska CO ₂ utsläpp som bidrar till klimatförändringarna.

Ahmed sa att han planerar att förlänga de metoder som används för att studera PAH -tillväxt, och undersöka andra system av relevans för DOE-uppdraget, såsom vattenavsaltning och miljövetenskap.

"Vi skulle också vilja gå och fånga en buckyball, C ₆₀ , en av naturens största ledtrådar till hemligheterna bakom symmetri, sa Ahmed.

Kaiser tillade att deras forskning kan hjälpa astronomer att rita en kolkarta över universum, och noll in på det kosmiska ursprunget bakom DNA:s kolramar.