В перечне металлов, как астрофизики называют всю таблицу Менделеева, исключая водород и гелий, углерод уступает лишь кислороду по распространенности во Вселенной. Интересно, что этот элемент обнаруживается в межзвездном пространстве в различных формах, требующих весьма специфических условий своего образования. Американские ученые определили один из наиболее вероятных путей формирования фуллеренов и углеродных нанотрубок в открытом космосе.
Команда специалистов из Аризонского университета (США) представила описание исследования и результаты экспериментов) представила 16 июня на 240-й встрече Американского астрономического общества, проходившей в Пасадене (Калифорния). Подробное научное исследование пока не опубликовано, однако уже проходит рецензирование в журнале Journal of Physical Chemistry A.
Разнообразие аллотропных модификаций углерода, то есть простых веществ, состоящих из одного химического элемента, весьма впечатляет. Для элемента, являющегося основой всей органической химии, известно около десяти различных форм. Каждая из них существенно отличается от остальных по своим физическим и химическим характеристикам. Благодаря этому, они находят широкое применение как в природных процессах, так и в деятельности человека. Графит и алмаз используются в повседневной жизни и в промышленности. Фуллерены и нанотрубки могут послужить основой для революционных разработок в медицине, технике и фундаментальных исследованиях.
Углерод существует в различных аллотропных формах, которые встречаются не только на нашей планете, но и широко распространены в космическом пространстве. Процессы образования графита и алмаза хорошо изучены, однако механизмы формирования молекул фуллеренов, насчитывающих десятки или сотни атомов, за пределами лабораторных условий, остаются предметом дискуссий.
До недавнего времени было предложено несколько гипотез, объясняющих формирование этих молекул в природных условиях. Одна из них была выдвинута три года назад предложил ведущий автор нового исследования Джейкоб Бернал ( Jacob Bernal) вместе с коллегами. В ходе моделирования условий, характерных для туманностей, формирующихся вокруг умирающих звезд, исследователи зафиксировали образование атомов углерода, формирующих наиболее распространенные фуллерены — C60.
Эти молекулы также известны как бакиболлы или бакминстерфуллерены. Они состоят из 60 атомов углерода, образующих два десятка шестиугольников и 12 пятиугольников, что формирует структуру, напоминающую мяч. В некоторых случаях фуллерены могут содержать включения других элементов или даже удерживать атомы внутри своей внутренней полости.
Это последнее достижение дает ученым возможность в определенных ситуациях определять изотопный и химический состав атмосфер древних планет. Хотя C60 — самый распространенный фуллерен, наблюдается формирование стабильных молекул и C20, и C70, и даже содержащие свыше сотни атомов углерода.
Фуллерены способны образовывать различные формы, начиная от шаровидных структур и заканчивая цилиндрами с округлыми концами. Углеродные нанотрубки также относятся к фуллеренам, однако из-за их уникальных характеристик они рассматриваются как самостоятельная аллотропная модификация.
Команда Бернала, опираясь на результаты предыдущего исследования бакиболлов, решила проверить гипотезу о том, что C60 образуется в окрестностях умирающих звезд не в одиночку. Американские ученые повторили свой эксперимент, внеся несколько изменений. Одной из них, вероятно, стала более детальная спектроскопия. В результате удалось выявить не только шарообразные фуллерены, но и углеродные нанотрубки. Они формировались при нагреве карбида кремния ( SiC) в вакууме температура достигала 1050 градусов. Изначально атомы углерода отщеплялись от кремния, образуя бакиболлы, однако уже через минуту эти образования начали трансформироваться в цилиндрические структуры.
В ходе эксперимента было зафиксировано наличие нанотрубок длиной примерно от трех до четырех нанометров. Трубки часто имели многослойную структуру, причем наиболее крупные состояли из четырех соединенных цилиндров. Количество атомов углерода в таких молекулах превышало тысячу.
Часто нанотрубки отрывались от поверхности образца из карбида кремния и улетали в окружающее пространство еще до завершения их формирования. Ученые полагают, что этот процесс может являться ключевым фактором, объясняющим обнаружение цилиндрических фуллеренов в открытом космосе.
Открытие феномена сложных углеродных молекул в межзвездном пространстве произошло относительно недавно, около пяти лет назад. Ранее внеземные фуллерены были обнаружены только в метеоритах. Считается, что бакиболлы и нанотрубки должны присутствовать в значительных количествах на кометах и астероидах.
В следующем году команда Бернала сможет проверить эту гипотезу, когда на Землю доставят капсулу с образцом вещества (101955) Бенну, собранного космическим аппаратом OSIRIS-REx. Аризонский университет в лице Lunar and Planetary Laboratory выступает ключевым партнером миссии, отвечая за научные исследования и обработку полученных данных.