Le prove suggeriscono che i nanotubi di carbonio, minuscoli tubi costituiti da carbonio puro, potrebbero essere forgiati negli involucri di polvere e gas che circondano le stelle morenti. I risultati propongono un meccanismo semplice ma elegante per la formazione e la sopravvivenza di complesse molecole di carbonio nello spazio.

A metà degli anni '80, la scoperta di complesse molecole di carbonio alla deriva attraverso il mezzo interstellare ha attirato un'attenzione significativa, con forse gli esempi più famosi sono Buckminsterfullerene, o "buckyballs", sfere composte da 60 o 70 atomi di carbonio. Tuttavia, gli scienziati hanno faticato a capire come queste molecole possono formarsi nello spazio.

In un documento accettato per la pubblicazione nel Journal of Physical Chemistry A , i ricercatori dell'Università dell'Arizona suggeriscono una spiegazione sorprendentemente semplice. Dopo aver esposto il carburo di silicio, un ingrediente comune dei granelli di polvere nelle nebulose planetarie, a condizioni simili a quelle che si trovano intorno alle stelle morenti, i ricercatori hanno osservato la formazione spontanea di nanotubi di carbonio, che sono molecole a forma di bastoncino altamente strutturate costituite da più strati di fogli di carbonio . I risultati sono stati presentati il ​​16 giugno al 240° Meeting dell'American Astronomical Society a Pasadena, in California.

Guidato dal ricercatore dell'UArizona Jacob Bernal, il lavoro si basa sulla ricerca pubblicata nel 2019, quando il gruppo ha dimostrato di poter creare buckyball utilizzando la stessa configurazione sperimentale. Il lavoro suggerisce che buckyball e nanotubi di carbonio potrebbero formarsi quando la polvere di carburo di silicio prodotta dalle stelle morenti viene colpita da alte temperature, onde d'urto e particelle ad alta energia, lisciviando il silicio dalla superficie e lasciando dietro di sé carbonio.

I risultati supportano l'idea che le stelle morenti possano seminare nel mezzo interstellare nanotubi e possibilmente altre complesse molecole di carbonio. I risultati hanno implicazioni per l'astrobiologia, in quanto forniscono un meccanismo per concentrare il carbonio che potrebbe poi essere trasportato ai sistemi planetari.

"Sappiamo dalle osservazioni a infrarossi che i buckyball popolano il mezzo interstellare", ha affermato Bernal, un ricercatore post-dottorato associato al Laboratorio lunare e planetario dell'UArizona. "Il grosso problema è stato spiegare come queste massicce e complesse molecole di carbonio potrebbero formarsi in un ambiente saturo di idrogeno, che è quello che di solito si ha intorno a una stella morente".

La formazione di molecole ricche di carbonio, per non parlare di specie contenenti esclusivamente carbonio, in presenza di idrogeno è praticamente impossibile a causa delle leggi termodinamiche. I risultati del nuovo studio offrono uno scenario alternativo:invece di assemblare singoli atomi di carbonio, buckyball e nanotubi potrebbero derivare semplicemente dalla riorganizzazione della struttura del grafene:fogli di carbonio a strato singolo noti per la formazione sulla superficie dei grani di carburo di silicio riscaldati.

Questo è esattamente ciò che Bernal e i suoi coautori hanno osservato quando hanno riscaldato campioni di carburo di silicio disponibili in commercio alle temperature che si verificano nelle stelle morenti o morte e li hanno fotografati. Quando la temperatura si avvicinava a 1.050 gradi Celsius, sulla superficie del grano sono state osservate piccole strutture emisferiche con una dimensione approssimativa di circa 1 nanometro. Dopo pochi minuti di riscaldamento continuo, le gemme sferiche hanno iniziato a crescere in strutture a forma di bastoncino, contenenti diversi strati di grafene con curvatura e dimensioni che indicano una forma tubolare. I nanotubuli risultanti variavano da circa 3 a 4 nanometri di lunghezza e larghezza, più grandi dei buckyball. I campioni più grandi erano costituiti da più di quattro strati di carbonio grafitico. Durante l'esperimento di riscaldamento, i tubi sono stati osservati oscillare prima di germogliare dalla superficie ed essere risucchiati nel vuoto che circonda il campione.

"Siamo rimasti sorpresi di poter realizzare queste strutture straordinarie", ha detto Bernal. "Chimicamente, i nostri nanotubi sono molto semplici, ma sono estremamente belli."

Prendendo il nome dalla loro somiglianza con le opere architettoniche di Richard Buckminster Fuller, i fullereni sono le molecole più grandi attualmente conosciute nello spazio interstellare, che per decenni è stato ritenuto privo di qualsiasi molecola contenente più di pochi atomi, al massimo 10. È ormai accertato che i fullereni C60 e C70, che contengono rispettivamente 60 o 70 atomi di carbonio, sono ingredienti comuni del mezzo interstellare.

Uno dei primi nel suo genere al mondo, il microscopio elettronico a trasmissione ospitato presso la Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility di UArizona è particolarmente adatto per simulare l'ambiente della nebulosa planetaria. Il suo fascio di elettroni da 200.000 volt può sondare la materia fino a 78 picometri, la distanza di due atomi di idrogeno in una molecola d'acqua, rendendo possibile vedere i singoli atomi. Lo strumento funziona in un vuoto molto simile alla pressione, o alla sua mancanza, che si pensa esista in ambienti circumstellari.

Mentre una molecola sferica C60 misura 0,7 nanometri di diametro, le strutture di nanotubi formate in questo esperimento misuravano diverse volte le dimensioni di C60, superando facilmente i 1.000 atomi di carbonio. Gli autori dello studio sono fiduciosi che i loro esperimenti abbiano replicato accuratamente le condizioni di temperatura e densità che ci si aspetterebbe in una nebulosa planetaria, ha affermato la coautrice Lucy Ziurys, professoressa di astronomia, chimica e biochimica dell'UArizona Regents.

"Sappiamo che la materia prima è lì e sappiamo che le condizioni sono molto vicine a quelle che vedresti vicino all'involucro di una stella morente", ha detto. "Ci sono onde d'urto che attraversano l'involucro, quindi è stato dimostrato che le condizioni di temperatura e pressione esistono nello spazio. Vediamo anche buckyball in queste nebulose planetarie, in altre parole, vediamo l'inizio e i prodotti finali che ti aspetteresti in i nostri esperimenti."

Queste simulazioni sperimentali suggeriscono che i nanotubi di carbonio, insieme ai fullereni più piccoli, vengono successivamente iniettati nel mezzo interstellare. È noto che i nanotubi di carbonio hanno un'elevata stabilità contro le radiazioni e i fullereni sono in grado di sopravvivere per milioni di anni se adeguatamente schermati dalle radiazioni cosmiche ad alta energia. Anche meteoriti ricchi di carbonio, come le condriti carboniose, potrebbero contenere queste strutture, propongono i ricercatori.

Secondo il coautore dello studio Tom Zega, professore presso l'UArizona Lunar and Planetary Lab, la sfida è trovare nanotubi in questi meteoriti, a causa delle dimensioni dei grani molto piccoli e poiché i meteoriti sono un complesso mix di materiali organici e inorganici, alcuni con dimensioni simili a quelle dei nanotubi.

"Tuttavia, i nostri esperimenti suggeriscono che tali materiali potrebbero essersi formati nello spazio interstellare", ha detto Zega. "Se sono sopravvissuti al viaggio nella nostra parte locale della galassia dove il nostro sistema solare si è formato circa 4,5 miliardi di anni fa, potrebbero essere preservati all'interno del materiale che è stato lasciato."

Zega ha affermato che un ottimo esempio di tale materiale residuo è Bennu, un asteroide carbonioso vicino alla Terra da cui la missione OSIRIS-REx della NASA guidata dall'UArizona ha raccolto un campione nell'ottobre 2020. Gli scienziati attendono con impazienza l'arrivo di quel campione, previsto per il 2023.

"L'asteroide Bennu avrebbe potuto preservare questi materiali, quindi è possibile che vi si trovino nanotubi", ha detto Zega. + Esplora ulteriormente

I misteri dietro i buckyball interstellari hanno finalmente risposto