Исследователи обнаружили, как в планетарной туманности формируются сложные углеродные молекулы

+7 926 604 54 63 address
 Художественное представление бакиболов.
Художественное представление бакиболов.

Учёные долгое время были озадачены существованием в межзвёздном пространстве так называемых бакиболов — сложных углеродных молекул, похожих структурой на футбольный мяч. Недавно команда из Аризонского университета (The University of Arizona) в исследовании, опубликованном в журнале The Astrophysical Journal Letters, предложила описание механизма их формирования.

Углерод 60, или сокращённо C60, официальное название которого «бакминстерфуллерен», состоит из сферических молекул, включающих по 60 атомов углерода, свёрнутых в пятиатомные и шестиатомные кольца. Название «бакибол» происходит от сходства этой молекулы с архитектурными работами Ричарда Бакминстера Фуллера (Richard Buckminster Fuller), который спроектировал множество купольных конструкций, похожих на C60.

Один из куполов Бакминстера.
Один из куполов Бакминстера.

Ранее считалось, что формирование C60 возможно только в лабораторных условиях и что в межзвёздном пространстве могут находиться только лёгкие молекулы: одиночные атомы, двухатомные молекулы, максимум — молекулы из 9—10 атомов. Но в апреле этого года с помощью телескопа Hubble бакиболы были обнаружены в космосе. Хотя их замечали там и раньше, но это было неточно.

Исследователи были удивлены тем, что найденные сложные молекулы состоят из чистого углерода. В лаборатории C60 синтезируют путём взрывания вместе чистых источников углерода, таких как графит. В космосе C60 был обнаружен в планетарных туманностях, которые состоят их обломков умирающих звёзд. В этой среде на каждую молекулу углерода приходится около 10000 молекул водорода.

«Присутствие водорода должно препятствовать синтезу фуллеренов, — говорит ведущий автор статьи, аспирант Университета Аризоны, Джейкоб Бернал (Jacob Bernal). — Представим, что у вас есть коробка с шариками, и на каждые 10 000 водородных шариков приходится один углеродный. И вы их постоянно перемешиваете. Насколько вероятно, что в таких условиях сгруппируются в одном месте 60 углеродных шариков? Вероятность исчезающе мала».

Бернал и его соавторы начали исследовать механизм образования C60 после того, как поняли, что просвечивающий электронный микроскоп(transmission electron microscope, TEM), размещённый в Центре визуализации и характеризации материалов Койпера (Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility) Университета Аризоны, достаточно хорошо умеет имитировать среду планетарной туманности.

Этот TEM, финансируемый Национальным научным фондом США (National Science Foundation) и NASA, является первым микроскопом с такой конфигурацией в мире. Его 200000-вольтовый пучок электронов может исследовать материю в глубину до 78 пикометров — размеров непостижимых человеческим мозгом — позволяющих видеть отдельные атомы. Он работает с вакуумной средой и с очень низким давлением. Отсутствие давления в ТЕМ очень близко к параметрам давления в околозвёздных средах. Этот микроскоп не адаптировали специально для исследования C60, он такой и был изначально, потому что если вы попытаетесь получить изображение с высоким разрешением с помощью обычного электронного микроскопа, атмосферные молекулы будут мешать — для этого и нужен вакуум.

Команда сотрудничала с Аргоннской национальной лабораторией (Argonne National Lab) Министерства энергетики США (U.S. Department of Energy), расположенной в окрестностях Чикаго, в которой стоит TEM, пригодный к изучению радиационных реакций материалов. Учёные поместили карбид кремния, материал, из которого состоит звёздная пыль, в среду с низким давлением в микроскопе TEM. Затем они воздействовали на исследуемый материал температурой до ~999 °C и облучили его высокоэнергетическими ионами ксенона.

Затем экземпляр был возвращён в Тусон, Аризона, для дальнейших исследований, так как у Университета Аризоны — TEM с большим разрешением. Там они смогли исследовать экземпляр более детально.

Они думали, что если кремний станет разлетаться и углерод окажется подверженным воздействию среды, их гипотеза будет подтверждена. Так и оказалось, кремний оторвался от образца, и остались слои углерода в кольцах из шести элементов, а это графит. И затем, когда куски графита имели неровную поверхность, образовались пятичленные и шестичленные кольца, которые выстроились в сферические структуры, соответствующие диаметру C60. Учёные считают, что это и есть C60.

Получается, что C60 в космосе формируется из пыли карбида кремния, образованной умирающими звёздами. Затем она подвергается воздействию высоких температур, ударных волн и частиц высокой энергии, таким образом кремний вымывается с поверхности, оставляя только углерод на частицах. Бакиболы рассеяны по космосу, потому что умирающие звезды выбрасывают свой материал в межзвёздную среду. Эти молекулы очень устойчивы к радиации, что позволяет им выживать в течение миллиардов лет, если не попадают в суровые космические среды.

«Мы думали, что сложные молекулы будут разрушаться в космосе, но оказалось, что вселенная наоборот предоставляет дружественную среду для их образования», — пояснил Бернал.

Микроскоп TEM.
Микроскоп TEM.
.
Комментарии