Gli scienziati hanno utilizzato esperimenti di laboratorio per ripercorrere le fasi chimiche che portano alla creazione di idrocarburi complessi nello spazio, mostrando percorsi per formare nanostrutture a base di carbonio 2-D in una miscela di gas riscaldati.

L'ultimo studio, che presentava esperimenti presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Department of Energy (Berkeley Lab), potrebbe aiutare a spiegare la presenza di pirene, che è un composto chimico noto come idrocarburo policiclico aromatico, e composti simili in alcuni meteoriti.

Un team di scienziati, compresi i ricercatori del Berkeley Lab e dell'UC Berkeley, partecipato allo studio, pubblicato il 5 marzo su Astronomia della natura rivista. Lo studio è stato condotto da scienziati dell'Università delle Hawaii a Manoa e ha coinvolto anche chimici teorici della Florida International University.

"È così che crediamo che alcune delle prime strutture a base di carbonio si siano evolute nell'universo, " ha detto Musahid Ahmed, uno scienziato della divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab che si è unito ad altri membri del team per eseguire esperimenti presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab.

"Partendo da gas semplici, puoi generare strutture unidimensionali e bidimensionali, e il pirene potrebbe portarti al grafene 2-D, "Ha detto Ahmed. "Da lì puoi arrivare alla grafite, e inizia l'evoluzione della chimica più complessa."

Il pirene ha una struttura molecolare composta da 16 atomi di carbonio e 10 atomi di idrogeno. I ricercatori hanno scoperto che gli stessi processi chimici riscaldati che danno origine alla formazione di pirene sono rilevanti anche per i processi di combustione nei motori dei veicoli, Per esempio, e la formazione di particelle di fuliggine.

L'ultimo studio si basa su lavori precedenti che hanno analizzato gli idrocarburi con anelli molecolari più piccoli che sono stati osservati anche nello spazio, compreso nella luna di Saturno Titano - vale a dire benzene e naftalene.

Ralf I. Kaiser, uno degli autori principali dello studio e professore di chimica presso l'Università delle Hawaii a Manoa, disse, "Quando questi idrocarburi furono visti per la prima volta nello spazio, la gente si è molto emozionata. C'era la questione di come si fossero formati." Se si fossero formati puramente attraverso reazioni in una miscela di gas, o si sono formati su una superficie acquosa, Per esempio?

Ahmed ha detto che c'è un'interazione tra astronomi e chimici in questo lavoro investigativo che cerca di raccontare la storia di come i precursori chimici della vita si sono formati nell'universo.

"Parliamo molto con gli astronomi perché vogliamo il loro aiuto per capire cosa c'è là fuori, "Ahmed ha detto, "e ci informa di pensare a come ci è arrivato."

Kaiser ha notato che i chimici fisici, d'altra parte, può aiutare a far luce sui meccanismi di reazione che possono portare alla sintesi di molecole specifiche nello spazio.

Il pirene appartiene a una famiglia nota come idrocarburi policiclici aromatici, o PAH, che si stima rappresentino circa il 20% di tutto il carbonio nella nostra galassia. Gli IPA sono molecole organiche composte da una sequenza di anelli molecolari fusi. Per esplorare come si sviluppano questi anelli nello spazio, gli scienziati lavorano per sintetizzare queste molecole e altre molecole circostanti note per esistere nello spazio.

Alessandro M. Mebel, un professore di chimica alla Florida International University che ha partecipato allo studio, disse, "Li costruisci un anello alla volta, e abbiamo fatto questi anelli sempre più grandi. Questo è un modo molto riduzionista di guardare alle origini della vita:un mattone alla volta".

Per questo studio, i ricercatori hanno esplorato le reazioni chimiche derivanti da una combinazione di un idrocarburo complesso noto come radicale 4-fenantrenile, che ha una struttura molecolare che include una sequenza di tre anelli e contiene un totale di 14 atomi di carbonio e nove atomi di idrogeno, con acetilene (due atomi di carbonio e due atomi di idrogeno).

I composti chimici necessari per lo studio non erano disponibili in commercio, disse Felix Fischer, un assistente professore di chimica presso l'UC Berkeley che ha anche contribuito allo studio, così il suo laboratorio ha preparato i campioni. "Queste sostanze chimiche sono molto noiose da sintetizzare in laboratorio, " Egli ha detto.

Alla SLA, i ricercatori hanno iniettato la miscela di gas in un microreattore che ha riscaldato il campione ad alta temperatura per simulare la vicinanza di una stella. L'ALS genera fasci di luce, dall'infrarosso alle lunghezze d'onda dei raggi X, per supportare una serie di esperimenti scientifici visitando e ricercatori interni.

La miscela di gas è stata espulsa dal microreattore attraverso un minuscolo ugello a velocità supersoniche, arrestando la chimica attiva all'interno della cella riscaldata. Il team di ricerca ha quindi focalizzato un raggio di luce ultravioletta nel vuoto dal sincrotrone sulla miscela di gas riscaldata che ha eliminato gli elettroni (un effetto noto come ionizzazione).

Hanno quindi analizzato la chimica in atto utilizzando un rilevatore di particelle cariche che ha misurato i vari tempi di arrivo delle particelle che si sono formate dopo la ionizzazione. Questi tempi di arrivo portavano le firme rivelatrici delle molecole progenitrici. Queste misurazioni sperimentali, insieme ai calcoli teorici di Mebel, ha aiutato i ricercatori a vedere le fasi intermedie della chimica in gioco ea confermare la produzione di pirene nelle reazioni.

Il lavoro di Mebel ha mostrato come il pirene (una struttura molecolare a quattro anelli) potrebbe svilupparsi da un composto noto come fenantrene (una struttura a tre anelli). Questi calcoli teorici possono essere utili per studiare una varietà di fenomeni, "dalle fiamme di combustione sulla Terra ai deflussi di stelle di carbonio e del mezzo interstellare, " disse Mebel.

Kaiser ha aggiunto, "Studi futuri potrebbero studiare come creare catene ancora più grandi di molecole ad anello usando la stessa tecnica, e per esplorare come formare il grafene dalla chimica del pirene".

Altri esperimenti condotti dai membri del team dell'Università delle Hawaii esploreranno cosa succede quando i ricercatori mescolano gas di idrocarburi in condizioni ghiacciate e simulano la radiazione cosmica per vedere se ciò può innescare la creazione di molecole portatrici di vita.

"Questo è abbastanza per innescare?" ha detto Ahmed. "Ci deve essere un po' di auto-organizzazione e auto-assemblaggio coinvolti" per creare forme di vita. "La grande domanda è se questo è qualcosa che, intrinsecamente, le leggi della fisica lo consentono."