Una investigación revela arrugas 'radicales' en la formación de moléculas de carbono complejas en el espacio

Esta imagen compuesta muestra una ilustración de una estrella gigante roja rica en carbono (centro) calentando un exoplaneta (abajo a la izquierda) y una superposición de una vía química recién descubierta que podría permitir que se formen carbonos complejos cerca de estas estrellas. (Créditos: ESO / L. Calçada; Berkeley Lab, Florida International University y University of Hawaii at Manoa).

Experimentos únicos en laboratorio de fuente de luz avanzada de Berkeley arrojan luz sobre un nuevo camino para que la química del carbono evolucione en el espacio. 

Un equipo de científicos descubrió una nueva vía posible hacia la formación de estructuras de carbono en el espacio utilizando una técnica de exploración química especializada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab). 

La investigación del equipo ha identificado varias vías por las cuales las moléculas anilladas conocidas como hidrocarburo aromático policíclico (HAP o PAH, por sus siglas en inglés), pueden formarse en el espacio. El último estudio es parte de un esfuerzo continuo para volver sobre los pasos químicos que conducen a la formación de moléculas complejas que contienen carbono en el espacio profundo. 

Los HAP, que también se producen en la Tierra en emisiones y hollín de la combustión de combustibles fósiles, podrían proporcionar pistas sobre la formación de la química de la vida en el espacio como precursores de las nanopartículas interestelares. Se estima que representan aproximadamente el 20 por ciento de todo el carbono en nuestra galaxia, y tienen los componentes químicos necesarios para formar estructuras de carbono en 2D y 3D. 

En el último estudio, publicado en Nature Communications , los investigadores produjeron una cadena de moléculas anilladas que contienen carbono al combinar dos especies químicas altamente reactivas que se llaman radicales libres porque contienen electrones no apareados. En última instancia, el estudio mostró cómo estos procesos químicos podrían conducir al desarrollo de HAP tipo grafeno que contienen carbono y nanoestructuras 2D. El grafeno es una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor. 

Es importante destacar que el estudio mostró una forma de conectar un anillo molecular de cinco lados (en forma de pentágono) con un anillo molecular de seis lados (hexagonal) y también convertir los anillos moleculares de cinco lados en anillos de seis lados, que es un trampolín a una gama más amplia de grandes moléculas de HAP. 

"Esto es algo que la gente ha tratado de medir experimentalmente a altas temperaturas, pero no lo ha hecho antes", dijo Musahid Ahmed, científico de la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab. Dirigió los experimentos de mezcla química en la Fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab con el profesor Ralf I. Kaiser en la Universidad de Hawaii en Manoa. "Creemos que esta es otra vía que puede dar lugar a HAP". 

El profesor Alexander M. Mebel de la Universidad Internacional de Florida ayudó en el trabajo computacional para el estudio. Estudios anteriores realizados por el mismo equipo de investigación también han identificado un par de otras vías para que los HAP se desarrollen en el espacio. Los estudios sugieren que podría haber múltiples rutas químicas para que la química de la vida tome forma en el espacio. 

"Podría ser todo lo anterior, de modo que no sea solo uno", dijo Ahmed. "Creo que eso es lo que hace que esto sea interesante". 

Los experimentos en ALS de Berkeley Lab, que produce rayos X y otros tipos de luz que soportan muchos tipos diferentes de experimentos simultáneos, utilizaron un reactor químico portátil que combina productos químicos y luego los expulsa para estudiar qué reactivos se formaron en el reactor calentado. 

Los investigadores utilizaron un haz de luz sintonizado a una longitud de onda conocida como "ultravioleta de vacío" o VUV producida por el ALS, junto con un detector (llamado espectrómetro de masas de tiempo de vuelo reflectron), para identificar los compuestos químicos que salen del reactor en velocidades supersónicas. 

El último estudio combinó los radicales químicos CH3 (radical metilo alifático) con C9H7 (radical 1-indenilo aromático) a una temperatura de aproximadamente 2.105 grados Fahrenheit para finalmente producir moléculas de un HAP conocido como naftaleno (C10H8) que se compone de dos benceno unidos anillos 

El estudio anotó que las condiciones requeridas para producir naftaleno en el espacio están presentes cerca de estrellas ricas en carbono. 

Los reactivos producidos a partir de dos radicales, según las notas del estudio, habían sido teorizados, pero no se habían demostrado antes en un ambiente de alta temperatura debido a desafíos experimentales. 

"Los radicales son de corta duración: reaccionan con ellos mismos y con cualquier otra cosa a su alrededor", dijo Ahmed. "El desafío es: '¿Cómo se generan dos radicales al mismo tiempo y en el mismo lugar, en un ambiente extremadamente cálido?' Los calentamos en el reactor, chocaron y formaron los compuestos, y luego los expulsamos del reactor ". 

Kaiser dijo: "Durante varias décadas, se ha especulado que las reacciones radicales a radicales forman estructuras aromáticas en llamas de combustión y en el espacio profundo, pero no ha habido mucha evidencia para apoyar esta hipótesis". Añadió: "El presente experimento proporciona claramente evidencia científica de que las reacciones entre radicales a temperaturas elevadas forman moléculas aromáticas como el naftaleno". 

Si bien el método utilizado en este estudio buscó detallar cómo se forman tipos específicos de compuestos químicos en el espacio, los investigadores notaron que los métodos utilizados también pueden iluminar estudios más amplios de reacciones químicas que involucran radicales expuestos a altas temperaturas, como en los campos de la química de materiales y síntesis de materiales. 

Fuente: DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory,