Molecole complesse a base di carbonio sono ovunque nel Cosmo. Quante di queste molecole si siano formate è ancora un mistero, in particolare per le molecole di carbonio formate dalla natura sulla Terra primordiale che hanno dato origine alla vita su questo pianeta.

Ricercatori del Los Alamos National Laboratory, utilizzando una tecnica di compressione guidata da laser e interrogazione di diffrazione a raggi X presso la struttura di Stanford Linear Accelerator (SLAC) in California, hanno recentemente scoperto un meccanismo per la formazione di complesse molecole solide a forma di foglio di carbonio nel benzene liquido, un comune idrocarburo, che potrebbe svelare parte del mistero della formazione del carbonio.

"Utilizzando la diffrazione dei raggi X e le misurazioni della diffusione dei raggi X a piccoli angoli del benzene liquido shockato a 55 gigapascal (circa otto milioni di libbre per pollice quadrato) siamo stati in grado di vedere la formazione e la struttura cristallina dei prodotti di reazione a shock guidato su scale temporali di nanosecondi, " ha affermato il ricercatore principale del progetto Dana Dattelbaum. "Le reazioni chimiche del benzene in queste condizioni estreme hanno prodotto una complessa miscela di prodotti composta da nuovi allotropi di carbonio e idrocarburi".

Un allotropo è due o più diverse forme fisiche di un elemento. Grafite, grafene, e il diamante sono tutti allotropi del carbonio. Benzene, una molecola a forma di anello composta da sei atomi di carbonio e sei di idrogeno, viene utilizzato principalmente per produrre altri prodotti chimici, principalmente etilbenzene, un precursore dello stirene, utilizzato per produrre polimeri e materie plastiche come il polistirene.

Un'ipotesi per la formazione della vita sulla terra è supportata dalla teoria che gli impatti di asteroidi e comete abbiano fornito un meccanismo per la formazione di molecole complesse a base di carbonio, un elemento chiave della vita, a causa delle pressioni e delle temperature estreme in un'onda d'urto. Questa ricerca mostra come il carbonio si evolve dalla semplice molecola del benzene sotto compressione d'urto. Ci sono stati diversi lavori che hanno esaminato questo problema da un approccio teorico, ma queste sono le prime misurazioni in situ dell'evoluzione del benzene in carbonio sotto shock utilizzando raggi X ad alta brillantezza.

In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato un laser per scuotere un campione di benzene e hanno cronometrato una sonda a raggi X pulsata coerente dal laser a elettroni liberi a raggi X Linac Coherent Light Source allo SLAC per ottenere la struttura dei prodotti che si formano quando il benzene si trasforma sotto carico d'urto. Lo studio, utilizzando i raggi X ad alta brillantezza per "vedere" all'interno dei materiali pubblicati oggi sulla rivista Comunicazioni sulla natura , trovato strutture espanse simili a fogli di carbonio in ammassi simili a esplosivi ad alto potenziale.

"Capire la reattività chimica, rottura del legame e formazione del prodotto, è legato alla comprensione di come gli esplosivi iniziano e rilasciano energia. Un lavoro come questo aiuta il Laboratorio a sviluppare una migliore comprensione dei meccanismi e della cinetica delle reazioni chimiche in condizioni estreme rilevanti per l'impatto planetario, applicazioni di detonazione di esplosivi e armi nucleari per lo sviluppo di modelli predittivi, " disse Dattelbaum.

"Scoprire nuove forme di carbonio e miscele di allotropi formati in queste condizioni estreme, essere in grado di sondare condizioni otticamente opache con i raggi X per la prima volta in reazioni guidate da shock, per molti versi è stato un Santo Graal che risale ai primi lavori di fisica degli shock iniziati con il Progetto Manhattan, " ha aggiunto Dattelbaum.