Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что углеродные нанотрубки, крошечные трубки, состоящие из чистого углерода, могут образовываться в оболочках из пыли и газа, окружающих умирающие звезды. Полученные данные предлагают простой, но элегантный механизм образования и выживания сложных молекул углерода в космосе.

В середине 1980-х значительное внимание привлекло открытие сложных молекул углерода, дрейфующих в межзвездной среде , и, возможно, самыми известными примерами были бакминстерфуллерены, или «бакиболы» — сферы, состоящие из 60 или 70 атомов углерода . Однако ученые изо всех сил пытались понять, как эти молекулы могут образовываться в космосе.

В статье, принятой к публикации в Journal of Physical Chemistry A , исследователи из Аризонского университета предлагают удивительно простое объяснение. После воздействия на карбид кремния — распространенного ингредиента пылинок в планетарных туманностях — условий, аналогичных тем, которые наблюдаются вокруг умирающих звезд, исследователи наблюдали спонтанное образование углеродных нанотрубок, которые представляют собой высокоструктурированные стержнеобразные молекулы, состоящие из нескольких слоев углеродных слоев. . Результаты были представлены 16 июня на 240-м собрании Американского астрономического общества в Пасадене, Калифорния.

Работа, возглавляемая исследователем из Университета Аризоны Джейкобом Берналом, основана на исследовании, опубликованном в 2019 году, когда группа показала, что они могут создавать бакиболы, используя ту же экспериментальную установку. В работе предполагается, что бакиболы и углеродные нанотрубки могут образовываться, когда пыль карбида кремния, образуемая умирающими звездами, подвергается воздействию высоких температур, ударных волн и высокоэнергетических частиц, вымывая кремний с поверхности и оставляя после себя углерод.

Полученные данные подтверждают идею о том, что умирающие звезды могут засеять межзвездную среду нанотрубками и, возможно, другими сложными молекулами углерода. Результаты имеют значение для астробиологии, поскольку они обеспечивают механизм концентрации углерода, который затем можно транспортировать в планетарные системы .

«Из инфракрасных наблюдений мы знаем, что бакиболы населяют межзвездную среду», — сказал Бернал, научный сотрудник Лунной и планетарной лаборатории Университета Аризоны. «Большая проблема заключалась в объяснении того, как эти массивные сложные молекулы углерода могли образоваться в среде, насыщенной водородом, что обычно происходит вокруг умирающей звезды».

Образование богатых углеродом молекул, не говоря уже о молекулах, содержащих только углерод, в присутствии водорода практически невозможно в силу термодинамических законов. Результаты нового исследования предлагают альтернативный сценарий: вместо сборки отдельных атомов углерода бакиболы и нанотрубки могут возникнуть в результате простой перестройки структуры графена — однослойных углеродных листов, которые, как известно, образуются на поверхности нагретых зерен карбида кремния.

Именно это наблюдали Бернал и его соавторы, когда нагревали коммерчески доступный карбид кремния.образцов к температурам умирающих или мертвых звезд и их изображениям. При приближении температуры к 1050°С на поверхности зерен наблюдались небольшие полусферические структуры размером около 1 нанометра. В течение нескольких минут непрерывного нагрева сферические почки начали превращаться в стержнеобразные структуры, содержащие несколько графеновых слоев с кривизной и размерами, указывающими на трубчатую форму. Полученные нанотрубочки имели длину и ширину от 3 до 4 нанометров, что больше, чем бакиболы. Самые большие из представленных образцов состояли из более чем четырех слоев графитового углерода. Во время эксперимента с нагревом было замечено, что трубки покачивались, прежде чем оторваться от поверхности и всосаться в вакуум, окружающий образец.

«Мы были удивлены, что смогли построить такие необычные конструкции», — сказал Бернал. «Химически наши нанотрубки очень просты, но очень красивы».

Названные в честь своего сходства с архитектурными работами Ричарда Бакминстера Фуллера, фуллерены являются крупнейшими молекулами, которые, как известно, в настоящее время встречаются в межзвездном пространстве, которое в течение десятилетий считалось лишенным каких-либо молекул, содержащих более нескольких атомов, самое большее 10. Сейчас хорошо известно, что фуллерены С60 и С70, содержащие соответственно 60 или 70 атомов углерода, являются обычными компонентами межзвездной среды.

Просвечивающий электронный микроскоп , один из первых в своем роде в мире, размещенный в Центре визуализации и характеристики материалов Койпера в Университете Аризоны, уникально подходит для моделирования среды планетарной туманности. Его электронный луч на 200 000 вольт может исследовать вещество на расстоянии до 78 пикометров — расстояние двух атомов водорода в молекуле воды — что позволяет увидеть отдельные атомы. Инструмент работает в вакууме, очень похожем на давление или его отсутствие, которое, как считается, существует в околозвездной среде.

В то время как сферическая молекула C60 имеет диаметр 0,7 нанометра, структуры нанотрубок, сформированные в этом эксперименте, в несколько раз превышают размер C60, легко превышая 1000 атомов углерода. Авторы исследования уверены, что их эксперименты точно воспроизвели условия температуры и плотности, которые можно было бы ожидать в планетарной туманности, сказала соавтор Люси Зиурис, профессор астрономии, химии и биохимии Университета Аризоны.

«Мы знаем, что сырье находится там, и мы знаем, что условия очень близки к тому, что можно увидеть вблизи оболочки умирающей звезды », — сказала она. «Существуют ударные волны , которые проходят через оболочку, поэтому было показано, что в космосе существуют условия температуры и давления. Мы также видим бакиболы в этих планетарных туманностях — другими словами, мы видим начало и конечные продукты, которые вы могли бы ожидать в космосе. наши эксперименты».

Эти экспериментальные модели предполагают, что углеродные нанотрубки вместе с более мелкими фуллеренами впоследствии внедряются в межзвездную среду. Известно, что углеродные нанотрубки обладают высокой устойчивостью к радиации, а фуллерены способны выживать в течение миллионов лет при достаточной защите от высокоэнергетического космического излучения. Исследователи предполагают, что богатые углеродом метеориты, такие как углеродсодержащие хондриты , также могут содержать эти структуры.

По словам соавтора исследования Тома Зеги, профессора Лунной и планетарной лаборатории Университета Аризоны, задача состоит в том, чтобы найти нанотрубки в этих метеоритах из-за очень малого размера зерен и из-за того, что метеориты представляют собой сложную смесь органических и неорганических материалов, некоторые с размерами, близкими к размерам нанотрубок.

«Тем не менее, наши эксперименты показывают, что такие материалы могли образоваться в межзвездном пространстве», — сказал Зега. «Если они пережили путешествие в нашу местную часть галактики, где около 4,5 миллиардов лет назад сформировалась наша Солнечная система, то они могли бы сохраниться внутри оставшегося материала».

Зега сказал, что ярким примером такого оставшегося материала является Бенну, углеродистый околоземный астероид, из которого в октябре 2020 года миссия OSIRIS-REx, возглавляемая НАСА в Аризоне, взяла образец. Ученые с нетерпением ждут прибытия этого образца, запланированного на 2023 год.

«Астероид Бенну мог сохранить эти материалы, поэтому вполне возможно, что мы можем найти в них нанотрубки», — сказал Зега.