足球形分子如何在宇宙中出现

长期以来，人们一直怀疑富勒烯及其衍生物可能在宇宙中自然形成。这些是形状像足球、沙拉碗或纳米管的大碳分子。一个国际研究小组使用PSI的瑞士SLS同步加速器光源已经展示了这种反应是如何工作的。研究结果刚刚发表在《自然通讯》杂志上。

“我们是星尘，我们是金色。我们是十亿年前的碳。在他们在伍德斯托克演唱的歌曲中，美国乐队Crosby，Stills，Nash&Young总结了人类的本质：星尘。任何对天文学稍有了解的人都可以证实美国流行乐队的话——行星和我们人类实际上都是由烧毁的超新星和数十亿年前的碳化合物的尘埃组成的。宇宙是一个巨大的反应堆，了解这些反应意味着了解宇宙的起源和发展，以及人类来自哪里。

过去，富勒烯及其衍生物在宇宙中的形成一直是一个谜。这些碳分子呈足球、碗或小管状，于 1980 年代在实验室中首次产生。2010年，红外太空望远镜斯皮策发现了C60具有足球特征形状的分子，称为巴基球，位于行星状星云Tc 1中。因此，它们是迄今为止已知存在于太阳系以外的宇宙中的最大分子。

但是它们实际上是如何在那里形成的呢?来自檀香山(美国)，迈阿密(美国)和天津(中国)的一组研究人员现在已经完成了分子形成的重要反应步骤，在PSI和同步加速器光源瑞士SLS的真空紫外(VUV)光束线的积极支持下。“PSI提供独特的实验设施，这就是为什么我们决定与PSI的Patrick Hemberger合作，”夏威夷大学檀香山分校的Ralf Kaiser说，他是该领域的国际领先研究员。

富勒烯小型反应器

在PSI研究VUV光束线的科学家Patrick Hemberger建造了一个微型反应堆，用于实时观察富勒烯的形成。角环自由基(C20H9) 在温度为 1，000 摄氏度的反应堆中产生。这个分子看起来像一个沙拉碗，好像它是从C上解剖出来的。60巴基球。这种激进是高度反应性的。它与乙烯基乙炔(C4H4)，这会在碗的边缘沉积一层碳。

“通过多次重复这个过程，分子会长成纳米管的端盖。我们已经设法在计算机模拟中证明了这种现象，“佛罗里达国际大学化学教授，该研究的作者之一Alexander Mebel解释说。但这并不是研究人员的唯一目标：“我们想证明这种类型的反应在物理上是可能的，”Ralf Kaiser补充道。

反应产生不同的异构体 - 所有分子都具有相同的质量，但结构略有不同。使用标准质谱法，所有这些变体都产生相同的信号。但是当使用光电子光离子重合光谱时，结果是不同的，这是团队采用的方法。“通过这种技术，测量曲线的结构可以得出关于每个异构体的结论，”Patrick Hemberger解释说。

解开经典足球形分子的难题

“宇宙包含着一个由分子和化学反应组成的狂野丛林 - 并非所有分子和化学反应都可以在望远镜的信号中明确分类，”Ralf Kaiser说。我们已经从模型中知道，宇宙中同时存在角环烯和乙烯基乙炔。现在有可能确认这些分子实际上构成了富勒烯的组成部分。“这就是为什么PSI的实验对我们来说如此有价值。

但《自然通讯》上的成功发表并不是故事的结局。研究人员希望进行更多的实验，以了解经典的巴基球如何在宇宙中形成，以及具有60个碳原子的足球形富勒烯分子和具有更多原子的微小纳米管。

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