一個國際研究團隊使用 PSI 的瑞士 SLS 同步加速器光源成功觀察并了解了宇宙中富勒烯的形成。

(相關(guān)資料圖)

富勒烯及其衍生物可能自然存在于宇宙中的觀點已經(jīng)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(xiàn)出類似于足球、色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(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

“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(jié)了人類的本質(zhì)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?nèi)祟悓嶋H上都是由燃燒殆盡的超新星產(chǎn)生的塵埃和數(shù)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(fā)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，于 80 年代首次在實驗室中被創(chuàng)造出來。2010 年，紅外太空望遠鏡斯皮策在行星狀星云 Tc 1 中發(fā)現(xiàn)了具有足球特征形狀的 C60 分子，稱為巴基球。因此，它們是迄今為止已知存在于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（美國）、邁阿密（美國）和天津（中國）的一組研究人員現(xiàn)已完成分子形成的重要反應步驟，并得到 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，”該領(lǐng)域國際領(lǐng)先的研究人員、檀香山夏威夷大學的 Ralf Kaiser 說。

富勒烯微型反應器

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，用于實時觀察富勒烯的形成。在 1,000攝氏度的溫度下，在反應器中產(chǎn)生了環(huán)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(fā)生反應，在碗的邊緣沉積一層碳。

“通過多次重復這個過程，分子會長成納米管的端蓋。我們已經(jīng)設法在計算機模擬中證明了這種現(xiàn)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。

但這并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(chǎn)生不同的異構(gòu)體——質(zhì)量相同但結(jié)構(gòu)略有不同的分子。使用標準質(zhì)譜法，所有這些變體都會產(chǎn)生相同的信號。但是當使用團隊采用的光電子光離子符合光譜法時，結(jié)果是不同的。“通過這種技術(shù)，測量曲線的結(jié)構(gòu)可以得出關(guān)于每個異構(gòu)體的結(jié)論，”Patrick Hemberger 解釋說。

解開經(jīng)典足球形分子之謎

Ralf Kaiser 說：“宇宙包含著分子和化學反應的狂野叢林——并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(jīng)從模型中知道宇宙中同時存在環(huán)烯和乙烯乙炔?，F(xiàn)在可以確認這些分子實際上構(gòu)成了富勒烯的組成部分?！斑@就是為什么 PSI 的實驗對我們?nèi)绱擞袃r值。”

但在Nature Communications上的成功發(fā)表并不是故事的結(jié)局。研究人員希望進行更多實驗，以了解經(jīng)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。

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