Le nanostrutture di carbonio che si sono formate negli involucri circumstellari attorno a stelle ricche di carbonio possono avere un'origine chimica condivisa con le particelle di fuliggine prodotte dalla combustione del carburante. Lo stesso meccanismo di reazione può essere alla base di ogni processo, hanno dimostrato i ricercatori KAUST. Il meccanismo proposto potrebbe anche portare a metodi migliori per la produzione di nanomateriali di carbonio.

Si pensa che la formazione di nanoparticelle ricche di carbonio, di natura interstellare o comburente, si basi su composti chiamati idrocarburi policiclici aromatici (IPA), che sono simili a grappoli di anelli benzenici fusi tenuti insieme da legami pi carbonio-carbonio condivisi. Sono stati proposti diversi meccanismi per spiegare come gli IPA potrebbero combinarsi con altre molecole di carbonio per trasformarsi in fuliggine e relative nanoparticelle di carbonio.

"Tutti questi studi, tuttavia, non sono sufficienti per spiegare l'inizio degli 'idrocarburi aromatici peri-condensati' con solo legami pi tra atomi di carbonio, che possono essere presenti in grandi quantità nelle fiamme", afferma Hanfeng Jin, post-dottorato presso Aamir Farooq's laboratori, che ha condotto la ricerca. "Abbiamo proposto un nuovo meccanismo che spiega la nucleazione degli idrocarburi aromatici pericondensati."

Il team ha dimostrato che la nucleazione degli idrocarburi aromatici peri-condensati potrebbe essere spiegata dalle reazioni tra le molecole di arile aromatiche e il fenilacetilene, tramite un meccanismo di addizione del fenilacetilene per l'estrazione dell'idrogeno (HAPaA). "Il fenilacetilene si forma facilmente e può essere presente in quantità considerevoli nelle fiamme", spiega Jin. Sia il benzene che l'acetilene, i precursori del fenilacetilene, sono noti per essere intermedi cruciali in astrochimica e chimica della combustione, aggiunge.

I ricercatori hanno utilizzato calcoli chimici quantistici per dimostrare che gli idrocarburi aromatici peri-condensati possono crescere per aggiunta di fenilacetilene a strutture a zig-zag e a forma di poltrona attorno alla periferia della molecola arilica. La fase iniziale del meccanismo HAPaA non ha barriere energetiche, quindi è ugualmente rilevante sia per la chimica interstellare a bassa temperatura che per la combustione ad alta temperatura.

Gli intermedi di reazione HAPaA e i prodotti previsti dalla teoria sono stati confermati sperimentalmente utilizzando la spettrometria di massa a fascio molecolare di fotoionizzazione ultravioletta sotto vuoto di sincrotrone all'avanguardia, afferma Jin. Il meccanismo HAPaA era applicabile anche ad analoghi molecolari più grandi del fenilacetilene, consentendo cicli ripetuti di raggruppamento degli IPA verso la formazione di nanoparticelle carboniose.

"La bellezza del nostro meccanismo proposto, rispetto ai percorsi tradizionali di formazione e crescita della PAH, è che è universalmente applicabile", afferma Farooq. "Questa comprensione meccanicistica ci aiuterebbe a limitare la formazione di particelle di fuliggine dai sistemi di combustione, ad esempio, utilizzando composti chimici che sopprimono le periferie a zig-zag e poltrona, che aumentano l'efficienza del meccanismo HAPaA", afferma. "Allo stesso modo, il nostro meccanismo proposto può essere utilizzato per aumentare la fedeltà dei modelli utilizzati per prevedere l'evoluzione del carbonio nei mezzi interstellari."

Lo studio appare nel Journal of the American Chemical Society . + Esplora ulteriormente

Un cambiamento radicale per collegare la formazione di fuliggine e l'evoluzione interstellare