Er zijn aanwijzingen dat koolstofnanobuisjes, kleine buisjes bestaande uit pure koolstof, zouden kunnen worden gesmeed in de omhulsels van stof en gas rond stervende sterren. De bevindingen stellen een eenvoudig, maar elegant mechanisme voor voor de vorming en overleving van complexe koolstofmoleculen in de ruimte.

Halverwege de jaren tachtig kreeg de ontdekking van complexe koolstofmoleculen die door het interstellaire medium dreven veel aandacht, met mogelijk de bekendste voorbeelden hiervan zijn Buckminsterfullereen, of "buckyballs" - bollen bestaande uit 60 of 70 koolstofatomen. Wetenschappers hebben echter moeite gehad om te begrijpen hoe deze moleculen zich in de ruimte kunnen vormen.

In een artikel dat is geaccepteerd voor publicatie in het Journal of Physical Chemistry A , suggereren onderzoekers van de Universiteit van Arizona een verrassend eenvoudige verklaring. Na blootstelling van siliciumcarbide - een veelgebruikt ingrediënt van stofkorrels in planetaire nevels - aan omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die rond stervende sterren, observeerden de onderzoekers de spontane vorming van koolstofnanobuisjes, zeer gestructureerde staafachtige moleculen bestaande uit meerdere lagen koolstofplaten . De bevindingen werden op 16 juni gepresenteerd tijdens de 240e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Pasadena, Californië.

Onder leiding van UArizona-onderzoeker Jacob Bernal bouwt het werk voort op onderzoek gepubliceerd in 2019, toen de groep aantoonde dat ze buckyballs konden maken met dezelfde experimentele opstelling. Het werk suggereert dat buckyballs en koolstofnanobuisjes zouden kunnen ontstaan ​​wanneer het siliciumcarbidestof dat door stervende sterren wordt gemaakt, wordt geraakt door hoge temperaturen, schokgolven en hoogenergetische deeltjes, waarbij silicium van het oppervlak wordt uitgeloogd en koolstof achterblijft.

De bevindingen ondersteunen het idee dat stervende sterren het interstellaire medium kunnen bezaaien met nanobuisjes en mogelijk andere complexe koolstofmoleculen. De resultaten hebben implicaties voor de astrobiologie, omdat ze een mechanisme bieden voor het concentreren van koolstof die vervolgens naar planetaire systemen zou kunnen worden getransporteerd.

"We weten uit infraroodwaarnemingen dat buckyballs het interstellaire medium bevolken", zegt Bernal, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het UArizona Lunar and Planetary Laboratory. "Het grote probleem was om uit te leggen hoe deze massieve, complexe koolstofmoleculen zich zouden kunnen vormen in een omgeving die verzadigd is met waterstof, wat je normaal gesproken hebt rond een stervende ster."

De vorming van koolstofrijke moleculen, laat staan ​​soorten die puur koolstof bevatten, in aanwezigheid van waterstof is door thermodynamische wetten vrijwel onmogelijk. De nieuwe onderzoeksresultaten bieden een alternatief scenario:in plaats van individuele koolstofatomen te assembleren, zouden buckyballs en nanobuisjes het resultaat kunnen zijn van het eenvoudig herschikken van de structuur van grafeen-enkellagige koolstofplaten waarvan bekend is dat ze zich vormen op het oppervlak van verwarmde siliciumcarbidekorrels.

Dit is precies wat Bernal en zijn co-auteurs opmerkten toen ze commercieel beschikbare siliciumcarbidemonsters verhitten tot temperaturen die voorkomen in stervende of dode sterren en ze in beeld brachten. Toen de temperatuur 1050 graden Celsius naderde, werden kleine halfbolvormige structuren met een grootte van ongeveer 1 nanometer waargenomen aan het korreloppervlak. Binnen enkele minuten na voortgezette verwarming begonnen de bolvormige knoppen uit te groeien tot staafachtige structuren, die verschillende grafeenlagen bevatten met kromming en afmetingen die wijzen op een buisvormige vorm. De resulterende nanotubuli varieerden van ongeveer 3 tot 4 nanometer in lengte en breedte, groter dan buckyballs. De grootste afgebeelde exemplaren bestonden uit meer dan vier lagen grafietkoolstof. Tijdens het verhittingsexperiment werd waargenomen dat de buizen wiebelden voordat ze van het oppervlak loskwamen en in het vacuüm rond het monster werden gezogen.

"We waren verrast dat we deze buitengewone structuren konden maken", zei Bernal. "Chemisch gezien zijn onze nanobuisjes heel eenvoudig, maar ze zijn buitengewoon mooi."

Vernoemd naar hun gelijkenis met architecturale werken van Richard Buckminster Fuller, zijn fullerenen de grootste moleculen waarvan momenteel bekend is dat ze voorkomen in de interstellaire ruimte, waarvan decennia lang werd aangenomen dat ze geen moleculen bevatten die meer dan een paar atomen bevatten, hoogstens 10. Het is nu algemeen bekend dat de fullerenen C60 en C70, die respectievelijk 60 of 70 koolstofatomen bevatten, veel voorkomende ingrediënten zijn van het interstellaire medium.

Een van de eerste in zijn soort ter wereld, de transmissie-elektronenmicroscoop die is gehuisvest in de Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility in UArizona, is bij uitstek geschikt om de planetaire nevelomgeving te simuleren. De elektronenbundel van 200.000 volt kan materie tot 78 picometer onderzoeken - de afstand van twee waterstofatomen in een watermolecuul - waardoor het mogelijk wordt om individuele atomen te zien. Het instrument werkt in een vacuüm dat sterk lijkt op de druk - of het gebrek daaraan - waarvan wordt gedacht dat deze bestaat in circumstellaire omgevingen.

Terwijl een bolvormig C60-molecuul een diameter van 0,7 nanometer heeft, waren de nanobuisstructuren die in dit experiment werden gevormd, meerdere malen groter dan C60, waardoor ze gemakkelijk meer dan 1000 koolstofatomen konden overschrijden. De auteurs van het onderzoek zijn ervan overtuigd dat hun experimenten nauwkeurig de temperatuur- en dichtheidsomstandigheden repliceerden die zouden worden verwacht in een planetaire nevel, zei co-auteur Lucy Ziurys, een UArizona Regents Professor of Astronomy, Chemistry and Biochemistry.

"We weten dat de grondstof er is, en we weten dat de omstandigheden heel dicht bij wat je zou zien in de buurt van de envelop van een stervende ster zijn," zei ze. "Er zijn schokgolven die door de omhulling gaan, dus het is aangetoond dat de temperatuur- en drukomstandigheden in de ruimte bestaan. We zien ook buckyballs in deze planetaire nevels - met andere woorden, we zien het begin en de eindproducten die je zou verwachten in onze experimenten."

Deze experimentele simulaties suggereren dat koolstofnanobuisjes, samen met de kleinere fullerenen, vervolgens in het interstellaire medium worden geïnjecteerd. Van koolstofnanobuisjes is bekend dat ze een hoge stabiliteit tegen straling hebben, en fullerenen kunnen miljoenen jaren overleven als ze voldoende worden afgeschermd tegen hoogenergetische kosmische straling. Koolstofrijke meteorieten, zoals koolstofhoudende chondrieten, kunnen deze structuren ook bevatten, stellen de onderzoekers voor.

Volgens co-auteur Tom Zega, een professor in het UArizona Lunar and Planetary Lab, is de uitdaging om nanobuisjes in deze meteorieten te vinden, vanwege de zeer kleine korrelgroottes en omdat de meteorieten een complexe mix zijn van organische en anorganische materialen, sommige met afmetingen vergelijkbaar met die van nanobuisjes.

"Niettemin suggereren onze experimenten dat dergelijke materialen zich in de interstellaire ruimte kunnen hebben gevormd", zei Zega. "Als ze de reis naar ons lokale deel van de melkweg, waar ons zonnestelsel zo'n 4,5 miljard jaar geleden is gevormd, hebben overleefd, dan zouden ze kunnen worden bewaard in het materiaal dat overbleef."

Zega zei dat een goed voorbeeld van dergelijk overgebleven materiaal Bennu is, een koolstofhoudende nabije-aarde-asteroïde waarvan NASA's door UArizona geleide OSIRIS-REx-missie in oktober 2020 een monster opschepte. Wetenschappers wachten reikhalzend uit naar de komst van dat monster, gepland voor 2023.

"Asteroïde Bennu had deze materialen kunnen behouden, dus het is mogelijk dat we er nanobuisjes in vinden", zei Zega. + Verder verkennen

Mysteries achter interstellaire buckyballs eindelijk beantwoord