科學家揭開了富勒烯經典足球形狀分子的形成之謎
富勒烯及其衍生物可能自然存在於宇宙中的觀點已經被推測了很長一段時間。這些化合物是相當大的碳分子,呈現出類似於足球、沙拉碗或納米管的形狀。一個國際研究小組使用PSI 的瑞士SLS 同步加速器光源展示了這種反應的工作原理。他們的發現最近發表在《自然通訊》雜誌上。
一個國際研究小組利用PSI的瑞士SLS同步輻射光源,成功地觀察並了解了宇宙中富勒烯的形成。
“我們是星塵,我們是金色的。 我們是十億年前的碳。” 在他們在伍德斯托克表演的歌曲中,美國樂隊Crosby、Stills、Nash & Young 總結了人類的本質組成:星塵。
任何對天文學稍有了解的人都可以證實這支美國樂隊的話——行星和我們人類實際上都是由燃燒殆盡的超新星產生的塵埃和數十億年前的碳化合物組成的。宇宙是一個巨大的反應堆,了解這些反應意味著了解宇宙的起源和發展——以及人類從何而來。
過去,富勒烯及其衍生物在宇宙中的形成一直是個謎。這些碳分子呈足球、碗或小管的形狀,於80 年代首次在實驗室中被創造出來。2010 年,紅外太空望遠鏡斯皮策在行星狀星雲Tc 1 中發現了具有足球特徵形狀的C60 分子,稱為巴基球。因此,它們是迄今為止已知存在於更遠宇宙中的最大分子我們的太陽系。
但它們實際上是如何形成的呢?來自火奴魯魯、邁阿密和天津的一組研究人員現已完成分子形成的重要反應步驟,並得到PSI 和同步加速器真空紫外(VUV) 光束線的積極支持光源瑞士SLS。“PSI 提供獨特的實驗設施,這就是我們決定與PSI 的Patrick Hemberger 合作的原因,”來自夏威夷大學檀香山分校的Ralf Kaiser 說,他是該領域的國際領先研究人員。
在PSI 從事VUV 光束線研究的科學家Patrick Hemberger 建造了一個微型反應器,用於實時觀察富勒烯的形成。在1000 攝氏度的溫度下,在反應器中產生了環烯自由基(C20H9)。這個分子看起來像一個沙拉碗,好像是從C60 巴基球上切下來的。這個自由基是高度反應性的。它與乙烯基乙炔(C4H4) 發生反應,在碗的邊緣沉積一層碳。
“通過多次重複這個過程,分子會長成納米管的端蓋。 我們已經設法在計算機模擬中證明了這種現象,”佛羅里達國際大學化學教授、該研究的作者之一亞歷山大·梅貝爾解釋說。
但這並不是研究人員的唯一目標:“我們想證明這種反應在物理上是可能的,”Ralf Kaiser 補充道。
該反應產生不同的異構體——質量相同但結構略有不同的分子。使用標準質譜法,所有這些變體都會產生相同的信號。但是當使用團隊採用的光電子光離子符合光譜法時,結果是不同的。“通過這種技術,測量曲線的結構可以得出關於每個異構體的結論,”Patrick Hemberger 解釋說。
Ralf Kaiser 說:“宇宙包含著分子和化學反應的狂野叢林——並不是所有的分子和化學反應都可以在望遠鏡的信號中被清楚地分類。我們已經從模型中知道宇宙中同時存在環烯和乙烯乙炔。 現在可以確認這些分子實際上構成了富勒烯的組成部分。 這就是為什麼PSI 的實驗對我們如此有價值。”
但在Nature Communications 上的成功發表並不是故事的結局。研究人員希望進行更多實驗,以了解經典的巴基球以及具有60 個碳原子的足球形富勒烯分子和具有更多原子的微小納米管是如何在宇宙中形成的。