Wetenschappers hebben laboratoriumexperimenten gebruikt om de chemische stappen te volgen die leiden tot het ontstaan ​​van complexe koolwaterstoffen in de ruimte, toont routes voor het vormen van 2-D op koolstof gebaseerde nanostructuren in een mengsel van verwarmde gassen.

De laatste studie, met experimenten in het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), kan de aanwezigheid van pyreen helpen verklaren, wat een chemische verbinding is die bekend staat als een polycyclische aromatische koolwaterstof, en soortgelijke verbindingen in sommige meteorieten.

Een team van wetenschappers, waaronder onderzoekers van Berkeley Lab en UC Berkeley, deelgenomen aan het onderzoek, gepubliceerd op 5 maart in de Natuurastronomie logboek. De studie werd geleid door wetenschappers van de Universiteit van Hawaï in Manoa en er waren ook theoretische chemici van de Florida International University bij betrokken.

"Dit is hoe we geloven dat enkele van de eerste op koolstof gebaseerde structuren in het universum zijn geëvolueerd, " zei Musahid Ahmed, een wetenschapper in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab die zich bij andere teamleden voegde om experimenten uit te voeren bij de Advanced Light Source (ALS) van Berkeley Lab.

"Uitgaande van eenvoudige gassen, je kunt eendimensionale en tweedimensionale structuren genereren, en pyreen kan je naar 2D-grafeen leiden, "Ahmed zei. "Van daaruit kun je naar grafiet gaan, en de evolutie van meer complexe chemie begint."

Pyreen heeft een moleculaire structuur die bestaat uit 16 koolstofatomen en 10 waterstofatomen. Onderzoekers ontdekten dat dezelfde verhitte chemische processen die aanleiding geven tot de vorming van pyreen ook relevant zijn voor verbrandingsprocessen in voertuigmotoren, bijvoorbeeld, en de vorming van roetdeeltjes.

De laatste studie bouwt voort op eerder werk dat koolwaterstoffen analyseerde met kleinere moleculaire ringen die ook in de ruimte zijn waargenomen, waaronder in Saturnusmaan Titan - namelijk benzeen en naftaleen.

Ralf I. Kaiser, een van de hoofdauteurs van de studie en een professor scheikunde aan de Universiteit van Hawaï in Manoa, zei, "Toen deze koolwaterstoffen voor het eerst in de ruimte werden gezien, mensen werden erg enthousiast. Er was de vraag hoe ze zich vormden." Waren ze puur gevormd door reacties in een mengsel van gassen, of zijn ze gevormd op een waterig oppervlak, bijvoorbeeld?

Ahmed zei dat er een wisselwerking is tussen astronomen en chemici in dit detectivewerk dat het verhaal probeert te vertellen van hoe de chemische voorlopers van het leven in het universum zijn gevormd.

"We praten veel met astronomen omdat we hun hulp willen bij het uitzoeken wat daarbuiten is, "Ahmed zei, "en het informeert ons om na te denken over hoe het daar is gekomen."

Kaiser merkte op dat fysisch chemici, anderzijds, kan helpen om een ​​licht te werpen op reactiemechanismen die kunnen leiden tot de synthese van specifieke moleculen in de ruimte.

Pyreen behoort tot een familie die bekend staat als polycyclische aromatische koolwaterstoffen, of PAK's, die naar schatting goed zijn voor ongeveer 20 procent van alle koolstof in onze melkweg. PAK's zijn organische moleculen die zijn samengesteld uit een reeks gefuseerde moleculaire ringen. Om te onderzoeken hoe deze ringen zich in de ruimte ontwikkelen, wetenschappers werken aan het synthetiseren van deze moleculen en andere omringende moleculen waarvan bekend is dat ze in de ruimte bestaan.

Alexander M. Mebel, een professor scheikunde aan de Florida International University die deelnam aan het onderzoek, zei, "Je bouwt ze ring voor ring op, en we hebben deze ringen steeds groter gemaakt. Dit is een zeer reductionistische manier om naar de oorsprong van het leven te kijken:één bouwsteen tegelijk."

Voor deze studie is onderzoekers onderzochten de chemische reacties die voortkomen uit een combinatie van een complexe koolwaterstof die bekend staat als de 4-fenantrenylradicaal, die een moleculaire structuur heeft die een reeks van drie ringen omvat en in totaal 14 koolstofatomen en negen waterstofatomen bevat, met acetyleen (twee koolstofatomen en twee waterstofatomen).

Chemische verbindingen die nodig waren voor het onderzoek waren niet in de handel verkrijgbaar, zei Felix Fischer, een assistent-professor scheikunde aan UC Berkeley die ook heeft bijgedragen aan de studie, dus zijn lab bereidde de monsters voor. "Deze chemicaliën zijn erg vervelend om in het laboratorium te synthetiseren, " hij zei.

Bij de ALS, onderzoekers injecteerden het gasmengsel in een microreactor die het monster tot een hoge temperatuur verwarmde om de nabijheid van een ster te simuleren. De ALS genereert lichtstralen, van infrarood tot röntgengolflengten, om een ​​reeks wetenschappelijke experimenten te ondersteunen door bezoekende en interne onderzoekers.

Het gasmengsel werd met supersonische snelheden door een klein mondstuk uit de microreactor gespoten, het stoppen van de actieve chemie in de verwarmde cel. Het onderzoeksteam richtte vervolgens een bundel vacuüm ultraviolet licht van de synchrotron op het verwarmde gasmengsel dat elektronen wegsloeg (een effect dat bekend staat als ionisatie).

Vervolgens analyseerden ze de chemie die plaatsvond met behulp van een geladen-deeltjesdetector die de gevarieerde aankomsttijden van deeltjes die zich na ionisatie vormden, meette. Deze aankomsttijden droegen de veelbetekenende handtekeningen van de oudermoleculen. Deze experimentele metingen, in combinatie met de theoretische berekeningen van Mebel, hielp onderzoekers om de tussenliggende stappen van de chemie in het spel te zien en om de productie van pyreen in de reacties te bevestigen.

Het werk van Mebel liet zien hoe pyreen (een moleculaire structuur met vier ringen) zich kon ontwikkelen uit een verbinding die bekend staat als fenantreen (een structuur met drie ringen). Deze theoretische berekeningen kunnen nuttig zijn voor het bestuderen van een verscheidenheid aan verschijnselen, "van verbrandingsvlammen op aarde tot uitstromen van koolstofsterren en het interstellaire medium, ' zei Mebel.

Keizer heeft toegevoegd, "Toekomstige studies zouden kunnen onderzoeken hoe nog grotere ketens van geringde moleculen kunnen worden gemaakt met dezelfde techniek, en om te onderzoeken hoe grafeen uit pyreenchemie kan worden gevormd."

Andere experimenten uitgevoerd door teamleden van de Universiteit van Hawaï zullen onderzoeken wat er gebeurt als onderzoekers koolwaterstofgassen mengen in ijzige omstandigheden en kosmische straling simuleren om te zien of dat de creatie van levendragende moleculen kan veroorzaken.

"Is dit genoeg van een trigger?" zei Achmed. "Er moet enige zelforganisatie en zelfassemblage bij betrokken zijn" om levensvormen te creëren. "De grote vraag is of dit iets is dat, inherent, de wetten van de fysica staan ​​het toe."