Среди металлов — а так астрофизики называют всю таблицу Менделеева, за исключением водорода и гелия — углерод занимает второе место после кислорода по распространенности во Вселенной. Что любопытно, даже в межзвездном пространстве этот элемент встречается в самых разных формах, многие из которых требуют весьма специфических условий формирования. Один из наиболее вероятных способов появления фуллеренов и углеродных нанотрубок в открытом космосе выявили американские ученые.
Туманность Кольцо (NGC 6720, M 57 или Мессье 57) / ©AURA, STScI, NASA
Описание исследования и результаты экспериментов команда специалистов из Аризонского университета (США) представила 16 июня, на 240-й встрече Американского астрономического общества в Пасадене (Калифорния). Соответствующая полноценная научная работа еще не опубликована, но уже рецензируется журналом Journal of Physical Chemistry A.
Разнообразие аллотропических модификаций углерода — то есть простых веществ одного химического элемента — поистине чудесно. В случае элемента, служащего основой всей органической химии, известно порядка десятка таких форм. И каждая из них радикально отличается от остальных по физическим и химическим свойствам. Следовательно, находит самое разнообразное применение как в природе, так и в человеческой деятельности. Графит и алмаз используются в повседневной жизни людей и в промышленности. Фуллерены и нанотрубки способны стать базой прорывных разработок в медицине, технике и фундаментальных исследованиях.
Различные аллотропические модификации углерода распространены не только на Земле, но и встречаются в космосе повсеместно. Как возникают графит и алмаз — науке известно, а вот каким образом формируются состоящие из десятков или даже сотен атомов молекулы фуллеренов вне лабораторий — вопрос до сих пор не до конца решенный.
До недавнего времени существовало несколько предполагаемых механизмов образования таких молекул в природе. Один из них три года назад предложил ведущий автор нового исследования Джейкоб Бернал (Jacob Bernal) вместе с коллегами. Ученые обнаружили, что при симуляции условий, которые возникают в образовавшихся вокруг умирающих звезд туманностях, часть атомов углерода образует наиболее распространенные фуллерены — C60.
Эти молекулы еще называют бакиболлами или бакминстерфуллеренами. Они представляют собой шары из 60 атомов углерода, формирующие два десятка шестиугольников и 12 пятиугольников, из которых получается своеобразный мячик. Иногда фуллерены содержат включения других элементов в свою структуру или даже буквально запирают какие-нибудь атомы внутри собственной полости.
Последнее явление позволяет ученым в некоторых случаях узнавать изотопный и химический состав древних атмосфер планет. Хотя C60 — самый распространенный фуллерен, существуют стабильные молекулы и C20, и C70, и даже более чем с сотней атомов углерода.
Помимо шара, фуллерены могут принимать довольно разнообразные формы — от луковиц до цилиндров с закругленными торцами. Да, углеродные нанотрубки — тоже фуллерены, просто из-за сильно отличающихся свойств их выделяют в отдельную аллотропическую модификацию.
На основе предыдущего исследования бакиболлов команда Бернала решила проверить гипотезу, согласно которой C60 формируется в окрестностях умирающих звезд не один. Фактически американские ученые повторили свой эксперимент с несколькими модификациями. Одной из них, судя по всему, была более подробная спектроскопия. Поскольку на этот раз удалось обнаружить не только шарообразные фуллерены, но и углеродные нанотрубки. Они формировались при нагреве карбида кремния (SiC) в вакууме до 1050 градусов. Сначала атомы углерода отделялись от кремния и формировали бакиболлы, но уже через минуту эти структуры начинали сворачиваться в цилиндры.
Во время эксперимента наблюдались нанотрубки длиной порядка трех-четырех нанометров, часто они были многослойными, а самые объемные состояли из четырех вложенных друг в друга цилиндров. Число атомов углерода в этих молекулах легко превышало тысячу штук.
Причем нередко еще до окончания формирования нанотрубки отрывались от поверхности образца из карбида кремния и улетали в окружающее пространство. По мнению исследователей, это может быть основным механизмом, объясняющим наличие цилиндрических фуллеренов в открытом космосе.
Сам по себе феномен сложных молекул углерода в межзвездном пространстве открыли недавно, порядка пяти лет назад. До этого внеземные фуллерены встречались лишь на метеоритах. Предполагается, что бакиболлы и нанотрубки должны в заметных количествах находиться на кометах и астероидах.
Проверить эту гипотезу у команды Бернала получится в следующем году, когда на Землю прибудет капсула с образцом вещества (101955) Бенну, который собрал аппарат OSIRIS-REx. Аризонский университет в лице Lunar and Planetary Laboratory выступает ключевым партнером миссии, отвечая за научные исследования и обработку полученных данных.
