Komplexa kolbaserade molekyler finns överallt i kosmos. Hur många av dessa molekyler som bildas är fortfarande något av ett mysterium, särskilt för kolmolekyler bildade av naturen på urjorden som gav upphov till liv på denna planet.

Forskare vid Los Alamos National Laboratory, med hjälp av en laserdriven komprimeringsteknik och röntgendiffraktionsförhör vid Stanford Linear Accelerator (SLAC) -anläggningen i Kalifornien, har nyligen upptäckt en mekanism för bildandet av komplexa kolarkformade fasta molekyler i flytande bensen, ett vanligt kolväte, som kan avslöja en del av kolbildningsmysteriet.

"Med hjälp av röntgendiffraktion och små vinkel röntgenspridningsmätningar av flytande bensen chockad till 55 gigapascal (ungefär åtta miljoner pund per kvadrattum) kunde vi se bildning och kristallin struktur av de chockdrivna reaktionsprodukterna vid nanosekunders tidsskalor, "sa projektets huvudutredare Dana Dattelbaum." Kemiska reaktioner i bensen under dessa extrema förhållanden gav en komplex blandning av produkter som består av nya kol- och kolväteallotroper. "

En allotrop är två eller flera olika fysiska former av ett element. Grafit, grafen, och diamant är alla allotroper av kol. Bensen, en ringformad molekyl som består av sex kol- och sex väteatomer, används främst för att tillverka andra kemikalier, mestadels etylbensen, en föregångare till styren, används för att tillverka polymerer och plaster som polystyren.

En hypotes för bildandet av liv på jorden stöds av teorin att asteroider och kometer påverkar en mekanism för komplex kolbaserad molekylbildning, en viktig byggsten i livet, på grund av extrema tryck och temperaturer i en chockvåg. Denna forskning visar hur kol utvecklas från den enkla molekylen bensen under chockkomprimering. Det har funnits flera verk som har tittat på detta problem utifrån ett teoretiskt synsätt, men dessa är de första in situ-mätningarna av bensenens utveckling till kol under chock med hjälp av röntgenstrålar med hög briljans.

I den här studien, forskare använde en laser för att chocka ett bensenprov och tidsinställde en koherent pulserad röntgensond från Linac Coherent Light Source röntgenfri elektronlaser vid SLAC för att få strukturen hos produkterna som bildas som bensenomvandlingar under chockbelastning. Studien, med hjälp av röntgenstrålar för att "se" inuti materialet som publiceras idag i tidskriften Naturkommunikation , hittade expanderade arkliknande strukturer av kol i kluster som liknar högsprängämnen.

"Förstå kemisk reaktivitet, bindningsbrytning och produktbildning, är kopplad till en förståelse för hur sprängämnen initierar och släpper ut energi. Arbete som detta hjälper laboratoriet att utveckla en bättre förståelse av mekanismer och kinetik för kemiska reaktioner under extrema förhållanden som är relevanta för planetpåverkan, sprängämnen detonation och kärnvapen applikationer för prediktiv modellutveckling, sa Dattelbaum.

"Upptäck nya former av kol och blandningar av allotroper bildade under dessa extrema förhållanden, kunna undersöka optiskt ogenomskinliga förhållanden med röntgenstrålar för första gången i chockdrivna reaktioner, på många sätt har varit en helig graal som går tillbaka till det tidiga chockfysikarbetet som började med Manhattan Project, "tillade Dattelbaum.