Het interstellaire medium en de verbrandingssystemen bevatten polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) als fundamentele moleculaire bouwstenen die fullerenen en koolstofhoudende nanostructuren vormen. Echter, onderzoekers moeten aromatische moleculen die vijfledige ringen dragen die de essentiële bouwstenen vormen van niet-vlakke polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) nog onderzoeken en begrijpen, die uiteindelijk leiden tot de vorming van interstellaire korrels of koolstofhoudend kosmisch stof. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Srinivas Doddipatla en een team van wetenschappers in de chemie, natuurkunde en astronomie in de VS en Rusland verkenden het concept met gekruiste moleculaire bundelexperimenten, elektronische structuurberekeningen en astrochemische modellering. Het werk onthulde een ongebruikelijk pad om indeen te vormen (C ₉ H ₈ ) - een prototype aromatisch molecuul met een vijfledige ring. Het mechanisme was gebaseerd op een barrièreloze biomoleculaire reactie waarbij het eenvoudigste organische radicaal betrokken was - methylidyne (CH) en styreen (C ₆ H ₅ C ₂ H ₃ ) via een tot nu toe ongrijpbaar methylidyne additie-cyclisatie-aromatisatie (MACA) mechanisme. Het werk biedt een nieuw concept over de chemie bij lage temperaturen van koolstof in de melkweg.

Interstellaire chemie

In dit werk, Doddipatla et al. onthulde de synthese van indeenmoleculen op basis van elementaire reacties tussen de eenvoudigste organische radicaal methylidyne met styreenmoleculen onder enkele botsingsomstandigheden. Volgens een hypothese voorgesteld door Léger en Puget in 1984, polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) werden verondersteld te zijn gemaakt van gefuseerde benzeenringen - om de ontbrekende schakel te vormen tussen kleine koolstofmoleculen en koolstofhoudende nanodeeltjes of interstellaire korrels. De PAK's naast hun gehydrogeneerde, gealkyleerd, geprotoneerde en geïoniseerde tegenhangers worden meestal geassocieerd met diffuse interstellaire banden (DIB's) van het zichtbare tot het nabije infrarood en het niet-geïdentificeerde infrarood (UIR) emissiebereik.

De verbindingen omvatten ongeveer 20 procent van het koolstofbudget in de melkweg, inclusief koolstofhoudende chondrieten (meteorieten) zoals Murchison, Allende, en Orgueil om te pleiten voor een circumstellaire oorsprong van aromaten in koolstofrijke asymptotische reuzentaksterren (AGB). De PAK's vormden ook afstammelingen van planetaire nevels van AGB-sterren op basis van waterstofabstractie-koolstofadditiereeksen (HACA). Eenmaal gevormd, echter, interstellaire PAK's worden snel vernietigd door galactische kosmische straling, fotolyse en schokgolven met een levensduur van slechts 10 ⁸ jaar. Als resultaat, PAK's zouden noch in het interstellaire medium noch in meteorieten mogen voorkomen en daarom vormt hun alomtegenwoordigheid een paradox in de astrofysica. Deze inconsistentie kan worden opgelost door aan te nemen dat er een tot nu toe ongrijpbare route bij lage temperaturen bestaat voor de snelle groei van PAK's in het interstellaire medium om hun vernietiging te overwinnen. De identificatie van dergelijke routes bij lage temperaturen zal helpen de oorsprong te ontrafelen van PAK's die vijfledige ringen bevatten, zoals indeen op de meest fundamentele, microscopisch niveau.

Het team combineerde gekruiste moleculaire bundelreactieve verstrooiingsexperimenten met elektronische structuurberekeningen en astrochemische studies om de onverwachte gasfasechemie te begrijpen die werd geïnitieerd door een enkele botsing. Dergelijke verschijnselen functioneerden bij temperaturen zo laag als 10 K aanwezig in moleculaire wolken zoals de Taurus moleculaire wolk (TMC-1) en de Orion moleculaire wolk. Het tot nu toe onbekende methylidyne additie-cyclisatie-aromatisatie (MACA) mechanisme dat in dit werk werd onderzocht, vertegenwoordigde een barrièreloos pad om indeen te vormen in de moleculaire wolken via snelle gasfasechemie. De bevindingen betwistten gevestigde paradigma's door te suggereren dat lage temperatuur de vorming van indeen initieerde, de allereerste aromatische moleculen in het interstellaire medium. De koolstofruggengraat van indeen vertegenwoordigde ook een fundamentele moleculaire bouwsteen van niet-planaire PAK's en kan leiden tot interstellair fullereen (C _60, C ₇₀ ) vorming.

Mechanismen van indeenvorming

Omdat elementaire reacties van het methylidyne-radicaal en styreen in de gasfase het indeenmolecuul vormden, het team combineerde deze bevindingen met simulaties en statistieken om het onderliggende reactiemechanisme voor te stellen. De berekeningen onthulden hoe het methylidyne-radicaal barrièreloos kon worden toegevoegd aan de π-elektronendichtheid van de dubbele koolstof-koolstofbinding van het vinyldeel (C ₂ H ₃ ) of aan de aromatische ring. Tijdens methylidyne toevoeging aan de vinylgroep, ze observeerden een reeks thermodynamisch stabiele reacties, gevolgd door cyclisatiereacties om atomaire waterstof uit te stoten vergezeld van indeen, in een algehele exoergische reactie. De alternatieve methylidyne-additiereactie aan de benzeengroep was relatief complexer. Na het identificeren van zes mogelijke reactieroutes om de verwachte producten te vormen, het team verkende de Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) chemische kinetiektheorie om de dominante reactieroute te voorspellen om indeen te vormen. Ze lieten zien hoe indeen niet op zichzelf kan worden gevormd in afwezigheid van waterstofatomen afkomstig van de methylidyne-reactant.

Astrochemische modellen

Met behulp van astrochemische modellen, Doddipatla et al. onderzocht vervolgens hoe deze laboratoriumresultaten konden worden overgedragen naar het interstellaire medium. De experimentele bevindingen leverden essentiële criteria voor het optreden van de reactie in omgevingen met lage temperaturen, zoals moleculaire wolken, waar zowel methylidyne- als styreenreactanten bestaan. Bijvoorbeeld, de methylidyne-radicalen kunnen worden gegenereerd in het interne ultraviolette (UV) fotonenveld diep in moleculaire wolken. De wetenschappers voerden daarom astrochemische simulaties uit voor de koude Taurus-moleculaire wolk (TMC-1) met behulp van de Nautilus V1.1-code, om de efficiëntie van het MACA-mechanisme tijdens de vorming van indeen in het interstellaire medium te onderzoeken. De resultaten toonden aan dat hoewel het astronomisch detecteren van indeen in TMC-1 een uitdaging was, het was technisch haalbaar om de experimenten uit te voeren met een hoge spectrale resolutie en hoge gevoeligheid met behulp van de Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) of de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

Op deze manier, Srinivas Doddipatla en collega's combineerden gekruiste moleculaire bundels, elektronische structuur en astrochemische modellering om de potentiële vorming van indeen over hete, koolstofrijke sterren en planetaire nevels, evenals in koude moleculaire wolken. Het mechanisme omvatte een eenvoudige, barrièreloze reactie op basis van de eenvoudigste organische radicaal methylidyne met styreen. Het werk was een belangrijke stap om de fundamentele chemische processen te begrijpen die indeen en niet-vlakke polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) vormen in omgevingen met lage temperaturen in de verre ruimte. Gezien de cruciale rol die niet-planaire PAK's spelen bij de vorming van koolstofhoudende kosmische stofdeeltjes die algemeen bekend staan ​​als interstellaire korrels tijdens de chemische evolutie van het universum, het begrijpen van de elementaire stappen die leiden tot de vorming van kosmische stofdeeltjes zal het astrochemische bewustzijn van onze melkweg vergroten.

© 2021 Science X Network