科学家揭开了富勒烯经典足球形状分子的形成之谜

来源：cnBeta 　2023-06-14 11:46:09

富勒烯及其衍生物可能自然存在于宇宙中的观点已经被推测了很长一段时间。这些化合物是相当大的碳分子，呈现出类似于足球、沙拉碗或纳米管的形状。一个国际研究小组使用 PSI 的瑞士 SLS 同步加速器光源展示了这种反应的工作原理。他们的发现最近发表在《自然通讯》杂志上。

一个国际研究小组利用PSI的瑞士SLS同步辐射光源，成功地观察并了解了宇宙中富勒烯的形成。

“我们是星尘，我们是金色的。我们是十亿年前的碳。” 在他们在伍德斯托克表演的歌曲中，美国乐队 Crosby、Stills、Nash & Young 总结了人类的本质组成：星尘。

【资料图】

任何对天文学稍有了解的人都可以证实这支美国乐队的话——行星和我们人类实际上都是由燃烧殆尽的超新星产生的尘埃和数十亿年前的碳化合物组成的。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——以及人类从何而来。

过去，富勒烯及其衍生物在宇宙中的形成一直是个谜。这些碳分子呈足球、碗或小管的形状，于 80 年代首次在实验室中被创造出来。 2010 年，红外太空望远镜斯皮策在行星状星云 Tc 1 中发现了具有足球特征形状的 C60 分子，称为巴基球。因此，它们是迄今为止已知存在于更远宇宙中的最大分子我们的太阳系。

但它们实际上是如何形成的呢？来自火奴鲁鲁、迈阿密和天津的一组研究人员现已完成分子形成的重要反应步骤，并得到 PSI 和同步加速器真空紫外 (VUV) 光束线的积极支持光源瑞士 SLS。 “PSI 提供独特的实验设施，这就是我们决定与 PSI 的 Patrick Hemberger 合作的原因，”来自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人员。

在 PSI 从事 VUV 光束线研究的科学家 Patrick Hemberger 建造了一个微型反应器，用于实时观察富勒烯的形成。在 1000 摄氏度的温度下，在反应器中产生了环烯自由基 (C20H9)。这个分子看起来像一个沙拉碗，好像是从 C60 巴基球上切下来的。这个自由基是高度反应性的。它与乙烯基乙炔 (C4H4) 发生反应，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、该研究的作者之一亚历山大·梅贝尔解释说。

但这并不是研究人员的唯一目标：“我们想证明这种反应在物理上是可能的，”Ralf Kaiser 补充道。

该反应产生不同的异构体——质量相同但结构略有不同的分子。使用标准质谱法，所有这些变体都会产生相同的信号。但是当使用团队采用的光电子光离子符合光谱法时，结果是不同的。 “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。

Ralf Kaiser 说：“宇宙包含着分子和化学反应的狂野丛林——并不是所有的分子和化学反应都可以在望远镜的信号中被清楚地分类。我们已经从模型中知道宇宙中同时存在环烯和乙烯乙炔。现在可以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 的实验对我们如此有价值。”

但在 Nature Communications 上的成功发表并不是故事的结局。研究人员希望进行更多实验，以了解经典的巴基球以及具有 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是如何在宇宙中形成的。

推荐DIY文章