Среди металлов — так астрофизики называют всю таблицу Менделеева без водорода и гелия — углерод уступает по распространенности только кислороду во Вселенной. Замечательно, что даже в межзвездном пространстве этот элемент встречается в самых разных формах, многие из которых требуют весьма специфических условий формирования. Американские ученые выявили один из наиболее вероятных способов появления фуллеренов и углеродных нанотрубок в открытом космосе.
Команда специалистов из Аризонского университета представила описание исследования и итоги экспериментальных работ. представила16 июня на 240-й встрече Американского астрономического общества в Пасадене (штат Калифорния) . Полностью опубликованная научная статья пока что не издана, но уже проходит экспертизу в журнале. Journal of Physical Chemistry A.
Разнообразие форм углерода, простых веществ одного химического элемента, поистине удивительно. Для элемента, лежащего в основе органической химии, известно около десятка таких модификаций. Каждая из них радикально отличается от остальных по физическим и химическим свойствам. Поэтому находит самое разнообразное применение как в природе, так и в деятельности человека. Графит и алмаз используются в повседневной жизни и промышленности. Фуллерены и нанотрубки могут стать основой прорывных разработок в медицине, технике и фундаментальных исследованиях.
Различные аллотропические модификации углерода распространены как на Земле, так и в космосе. Способы образования графика и алмаза известны, но механизмы формирования молекул фуллеренов из десятков или сотен атомов вне лабораторных условий до сих пор не изучены полностью.
До недавнего времени было известно несколько предположений о том, как такие молекулы образуются в природе. Одно из
предположений выдвигалось три года назад. предложилГлавным автором нового исследования является Джейкоб Бернал. Jacob BernalУченые, работая совместно с коллегами, выяснили, что при моделировании условий, характерных для облаков газа, окружающих умирающие звезды, некоторые атомы углерода соединяются в наиболее частые фуллерены. C60.
Эти молекулы также называют бакиболлами или бакминстерфуллеренами.
Шары из 60 атомов углерода, формирующие два десятка шестиугольников и 12 пятиугольников, образуют своеобразный мячик. Иногда фуллерены включают другие элементы в структуру или буквально запирают атомы внутри собственной полости.
Это открытие помогает ученым в определенных ситуациях определить изотопный и химический состав атмосферы древних планет. C60— это наиболее обычный фуллерен; есть устойчивые молекулы и C20, и C70…и даже более ста атомов углерода.
В дополнение к шарикообразной форме фуллерены могут иметь весьма разнообразные очертания: от луковиц до цилиндров с закругленными концами. Углеродные нанотрубки также относятся к фуллеренам, но из-за существенно различающихся свойств их выделяют в отдельную аллотропическую модификацию.
Исследователи Бернала, опираясь на предыдущие исследования бакиболлов, решили проверить гипотезу о том, что C60 образуется вблизи умирающих звезд не единолично. Для этого американские ученые повторили свой эксперимент с модификациями, одной из которых была более детальная спектроскопия. Благодаря этому удалось обнаружить не только шарообразные фуллерены, но и углеродные нанотрубки. SiCПри нагревании в вакууме до температуры 1050 градусов сначала атомы углерода отделились от кремния и образовывали сферы (бакиболы), но спустя минуту эти структуры начали сворачиваться в цилиндры.
Эксперимент показал наличие нанотрубок длиной три-четыре нанометра. Часто это многослойные структуры, некоторые состояли из четырех сложенных друг в друга цилиндров. Число атомов углерода в этих молекулах превышало тысячу.
Часто даже до завершения формирования нанотрубки отделялись от поверхности образца из карбида кремния и уносились в окружающее пространство. По мнению учёных, это может быть главным механизмом, объясняющим появление цилиндрических фуллеренов в открытом космосе.
Открытие феномена сложных молекул углерода в межзвездном пространстве произошло недавно, порядка пяти лет назад. До этого внеземные фуллерены обнаруживались только на метеоритах. Предполагается, что бакиболлы и нанотрубки должны присутствовать в заметных количествах на кометах и астероидах.
Команда Бернала сможет проверить гипотезу в следующем году, когда на Землю вернётся капсула с образцом вещества (101955) Бенну. OSIRIS-REx. Аризонский университет в лице Lunar and Planetary LaboratorВыступая ключевым партнёром миссии, занимается научными исследованиями и обработкой полученных данных.