Химики и астрохимики из Аризонского университета, проведя ряд экспериментов, предложил теорию, объясняющую механизм формирования фуллеренов в межзвездном пространстве. Статья исследователей была опубликована в Astrophysical Journal Letters.
Фуллерены представляют собой класс химических соединений на основе углерода, которые по форме напоминают футбольный мяч. За открытие фуллеренов в 1996 году ученым Харолду Крото, Ричарду Смелли и Роберту Керлу была присуждена Нобелевская премия по химии.
Ранее считалось, что получить такие соединения возможно только в лабораторных условиях из паров графита при лазерном или электродуговом испарении образца. Но в 2010 году ученые обнаружили фуллерены в космическом пространстве в виде газа, а в 2012 — в виде твердого вещества. В космосе самый распространенный вид фуллеренов — C60 — был обнаружен в планетных туманностях, которые являются обломками умирающих звезд. Эта среда содержит около 10 тысяч молекул водорода на каждую молекулу углерода. Полностью объяснить процесс их формирования исследователям до сих пор не удавалось.
«Присутствие любой формы водорода должно разрушать синтез фуллеренов, — отметил ведущий автор статьи, докторант кафедры химии и биохимии Аризонского университета Якоб Берналь. — Если у вас есть коробка шаров, и на каждые 10 тысяч водородных шаров у вас есть один углерод, и вы продолжаете встряхивать их, насколько вероятно, что 60 углеродных шаров смогут склеиться в один? Шанс очень невелик».
В новой работе исследователи использовали просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) и спектроскопию характеристических потерь энергии электронами, чтобы смоделировать и изучить межзвездную среду, в которой формируются фуллерены. Для этого авторы работы поместили карбид кремния — широко распространенный в космической среде материал — в среду низкого давления ПЭМ, а затем подвергли его воздействию температур до 1000 °C и облучили его высокоэнергетическими ионами ксенона.
Когда ученые исследовали состав продуктов реакции, то увидели, что среди них, кроме шестичленных циклов графена и графита присутствуют сферические структуры из углерода, диаметр которых совпадает с размером молекулы C60. Эта работа предполагает, что фуллерены получаются из пыли карбида кремния, образующейся при смерти звезд , на которую затем воздействуют высокие температуры, ударные волны и частицы высокой энергии. Эти силы буквально «выдавливают» кремний с поверхности пылевых частиц, оставляя только атомы углерода, которые при близком нахождении друг к другу образуют сферические шары.