Complexe op koolstof gebaseerde moleculen zijn overal in de kosmos. Hoeveel van deze moleculen worden gevormd, is nog steeds een raadsel, vooral voor koolstofmoleculen gevormd door de natuur op de oeraarde die aanleiding gaven tot leven op deze planeet.

Onderzoekers van het Los Alamos National Laboratory, met behulp van een lasergestuurde compressietechniek en röntgendiffractie-ondervraging in de Stanford Linear Accelerator (SLAC) -faciliteit in Californië, hebben onlangs een mechanisme ontdekt voor de vorming van complexe koolstofbladvormige vaste moleculen in vloeibaar benzeen, een gewone koolwaterstof, dat zou een deel van het mysterie van koolstofvorming kunnen ontrafelen.

"Met behulp van röntgendiffractie en kleine hoek röntgenverstrooiingsmetingen van vloeibaar benzeen met een schok tot 55 gigapascal (ongeveer acht miljoen pond per vierkante inch) konden we de vorming en kristallijne structuur van de schokgestuurde reactieproducten zien op nanoseconden tijdschalen, ", zei hoofdonderzoeker Dana Dattelbaum van het project. "Chemische reacties in benzeen onder deze extreme omstandigheden leverden een complex mengsel van producten op, samengesteld uit nieuwe koolstof- en koolwaterstofallotropen."

Een allotroop is twee of meer verschillende fysieke vormen van een element. Grafiet, grafeen, en diamant zijn allemaal allotropen van koolstof. benzeen, een ringvormig molecuul dat bestaat uit zes koolstofatomen en zes waterstofatomen, wordt voornamelijk gebruikt om andere chemicaliën te maken, meestal ethylbenzeen, een voorloper van styreen, gebruikt om polymeren en kunststoffen zoals polystyreen te maken.

Een hypothese voor de vorming van leven op aarde wordt ondersteund door de theorie dat de inslagen van asteroïden en kometen een mechanisme vormden voor de vorming van complexe, op koolstof gebaseerde moleculen, een belangrijke bouwsteen van het leven, door de extreme drukken en temperaturen in een schokgolf. Dit onderzoek laat zien hoe koolstof evolueert uit het eenvoudige molecuul benzeen onder schokcompressie. Er zijn verschillende werken geweest die dit probleem vanuit een theoretische benadering hebben bekeken, maar dit zijn de eerste in situ metingen van de evolutie van benzeen tot koolstof onder schok met behulp van röntgenstralen met een hoge helderheid.

In dit onderzoek, onderzoekers gebruikten een laser om een ​​benzeenmonster te shockeren en timen een coherente gepulseerde röntgensonde van de Linac Coherent Light Source röntgenvrije elektronenlaser bij SLAC om de structuur te verkrijgen van de producten die zich vormen als benzeen transformeert onder schokbelasting. De studie, met behulp van röntgenstralen met een hoge helderheid om te "zien" in de materialen die vandaag in het tijdschrift zijn gepubliceerd Natuurcommunicatie , vond geëxpandeerde plaatachtige structuren van koolstof in clusters vergelijkbaar met explosieven.

"Inzicht in chemische reactiviteit, bindingsverbreking en productvorming, is gekoppeld aan een begrip van hoe explosieven energie initiëren en vrijgeven. Door op deze manier te werken, kan het laboratorium een ​​beter begrip ontwikkelen van de mechanismen en kinetiek van chemische reacties in extreme omstandigheden die relevant zijn voor planetaire impact, explosieven detonatie en kernwapentoepassingen voor voorspellende modelontwikkeling, zei Dattelbaum.

"Het ontdekken van nieuwe vormen van koolstof en mengsels van allotropen gevormd in deze extreme omstandigheden, in staat zijn om voor het eerst optisch ondoorzichtige omstandigheden met röntgenstralen te onderzoeken in schokgestuurde reacties, is in veel opzichten een heilige graal geweest die teruggaat tot het vroege schokfysica-werk dat begon met Manhattan Project, ", voegde Dattelbaum eraan toe.