Illustrazione di un'esplosione di supernova. Tali masse vorticose di materia hanno dato forma alle prime forme di carbonio, precursori di molecole che, secondo alcuni scienziati, sono collegati alla sintesi delle prime forme di vita sulla Terra. Credito:immagini NASA/Shutterstock
Per quasi mezzo secolo, astrofisici e chimici organici sono stati a caccia delle origini del C 6 h 6 , l'anello benzenico, un elegante, molecola esagonale composta da 6 atomi di carbonio e 6 di idrogeno.
Gli astrofisici affermano che l'anello benzenico potrebbe essere l'elemento costitutivo fondamentale degli idrocarburi policiclici aromatici o IPA, i materiali più elementari formati dall'esplosione della morte, stelle ricche di carbonio. Quella massa vorticosa di materia alla fine avrebbe dato forma alle prime forme di carbonio, precursori di molecole che alcuni scienziati dicono siano collegati alla sintesi delle prime forme di vita sulla Terra.
Paradossalmente, Gli IPA hanno un lato oscuro, pure. I processi industriali alla base delle raffinerie di petrolio greggio e il funzionamento interno dei motori a combustione a gas possono emettere IPA, che può trasformarsi in una valanga di inquinanti atmosferici tossici come la fuliggine.
Il modo esatto in cui il primo anello benzenico si è formato dalle stelle nell'universo primordiale e come i motori a combustione innescano la reazione chimica che altera l'anello benzenico in particelle inquinanti di fuliggine hanno a lungo mistificato gli scienziati.
Ma ora, ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), l'Università delle Hawaii a Manoa, e la Florida International University hanno dimostrato la prima misurazione in tempo reale, utilizzando metodi di laboratorio, di particelle instabili chiamate radicali liberi che reagiscono in condizioni cosmiche, spingendo atomi di carbonio e idrogeno elementari a fondersi in anelli di benzene primordiali.
I ricercatori dicono che i loro risultati, recentemente pubblicato sulla rivista Progressi scientifici , sono la chiave per comprendere come l'universo si è evoluto con la crescita dei composti del carbonio. Questa intuizione potrebbe anche aiutare l'industria automobilistica a realizzare motori a combustione più puliti.
Un tipo di radicale libero chiamato radicale propargil (C 3 h 3 ) è estremamente reattivo a causa della sua propensione a perdere un elettrone, ed è stato implicato nella formazione di fuliggine per decenni. I ricercatori credevano che la ricombinazione di due radicali liberi propargil, C 3 h 3 · + C 3 h 3 ·, diede origine al primo anello aromatico, benzene.
Il presente studio è la prima dimostrazione della cosiddetta "auto-reazione propargil radicale" in condizioni astrochimiche e di combustione. Utilizzando una temperatura elevata, reattore chimico delle dimensioni di una moneta chiamato "ugello caldo, "i ricercatori hanno simulato l'alta pressione, ambiente ad alta temperatura all'interno di un motore a combustione e l'atmosfera ricca di idrocarburi della luna di Saturno Titano, e osservò la formazione di isomeri, molecole con la stessa formula chimica ma diverse strutture atomiche, da due radicali propargil che portano all'anello benzenico.
La tecnica del getto caldo, quale co-autore senior Musahid Ahmed, scienziato senior dello staff della divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab, adattato 10 anni fa all'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab per esperimenti di sincrotrone, si basa sulla spettroscopia ultravioletta sotto vuoto (VUV) per rilevare i singoli isomeri. L'ALS è un tipo di acceleratore di particelle noto come sincrotrone che genera fasci di luce estremamente luminosi che vanno dall'infrarosso ai raggi X.
I ricercatori hanno guidato la tecnica per arrestare l'auto-reazione del radicale propargil, che si svolge in microsecondi, appena prima di PAH più grandi e della successiva forma di fuliggine. Il risultato convincente supporta le previsioni degli esperimenti condotti dal co-autore senior Ralf Kaiser, professore di chimica all'Università delle Hawaii a Manoa, e simulazioni di chimica quantistica formulate dal co-autore senior Alexander Mebel, professore di chimica alla Florida International University.
Credono che la scoperta potrebbe un giorno portare a motori a combustione più puliti. Avere motori a gas più efficienti, alcuni analisti dicono è ancora importante, perché potrebbero volerci altri 25 anni prima di poter sostituire l'intera flotta di auto a gas con veicoli elettrici (EV). Per di più, dotare gli aeroplani e il componente alimentato a gas dei veicoli elettrici plug-in ibridi di motori a combustione più puliti potrebbe aiutare a ridurre le emissioni di CO 2 emissioni che contribuiscono al cambiamento climatico.
Ahmed ha detto che prevede di estendere i metodi impiegati per studiare la crescita della PAH, e sondare altri sistemi di rilevanza per la missione DOE, come la desalinizzazione dell'acqua e le scienze ambientali.
"Vorremmo anche andare a prendere un buckyball, C 60 , uno dei più grandi indizi della natura sui segreti dietro la simmetria, " ha detto Ahmed.
Kaiser ha aggiunto che la loro ricerca potrebbe aiutare gli astronomi a tracciare una mappa del carbonio dell'universo, e concentrarsi sulle origini cosmiche dietro le strutture in carbonio del DNA.
