Un cinturón de asteroides orbita una estrella en la representación de este artista. En un nuevo estudio, Los experimentos en Berkeley Lab exploraron posibles vías químicas que podrían formar hidrocarburos complejos, como los que se encuentran en algunas muestras de meteoritos, en el espacio. Crédito:NASA / JPL-Caltech
Los científicos han utilizado experimentos de laboratorio para rastrear los pasos químicos que conducen a la creación de hidrocarburos complejos en el espacio. que muestra las vías para la formación de nanoestructuras 2-D basadas en carbono en una mezcla de gases calentados.
El último estudio, que contó con experimentos en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), podría ayudar a explicar la presencia de pireno, que es un compuesto químico conocido como hidrocarburo aromático policíclico, y compuestos similares en algunos meteoritos.
Un equipo de científicos incluidos investigadores de Berkeley Lab y UC Berkeley, participó en el estudio, publicado el 5 de marzo en el Astronomía de la naturaleza diario. El estudio fue dirigido por científicos de la Universidad de Hawai en Manoa y también involucró a químicos teóricos de la Universidad Internacional de Florida.
"Así es como creemos que algunas de las primeras estructuras basadas en carbono evolucionaron en el universo, "dijo Musahid Ahmed, un científico de la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab que se unió a otros miembros del equipo para realizar experimentos en la Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab.
"Partiendo de gases simples, puede generar estructuras unidimensionales y bidimensionales, y el pireno podría llevarte al grafeno 2-D, "Ahmed dijo." Desde allí se puede llegar al grafito, y comienza la evolución de una química más compleja ".
El pireno tiene una estructura molecular compuesta por 16 átomos de carbono y 10 átomos de hidrógeno. Los investigadores encontraron que los mismos procesos químicos calentados que dan lugar a la formación de pireno también son relevantes para los procesos de combustión en los motores de los vehículos. por ejemplo, y la formación de partículas de hollín.
El último estudio se basa en trabajos anteriores que analizaron hidrocarburos con anillos moleculares más pequeños que también se han observado en el espacio. incluso en Titán, la luna de Saturno, a saber, benceno y naftaleno.
Ralf I. Kaiser, uno de los autores principales del estudio y profesor de química en la Universidad de Hawái en Manoa, dijo, "Cuando estos hidrocarburos se vieron por primera vez en el espacio, la gente se emocionó mucho. Estaba la cuestión de cómo se formaron. "¿Se formaron puramente a través de reacciones en una mezcla de gases, o se formaron en una superficie acuosa, ¿por ejemplo?
Ahmed dijo que hay una interacción entre astrónomos y químicos en este trabajo de detectives que busca volver a contar la historia de cómo se formaron los precursores químicos de la vida en el universo.
"Hablamos mucho con los astrónomos porque queremos su ayuda para descubrir qué hay ahí fuera, "Ahmed dijo, "y nos informa que pensemos en cómo llegó allí".
Kaiser señaló que los químicos físicos, por otra parte, puede ayudar a arrojar luz sobre los mecanismos de reacción que pueden conducir a la síntesis de moléculas específicas en el espacio.
Vías de reacción que pueden formar un hidrocarburo llamado pireno a través de un método químico conocido como abstracción de hidrógeno / adición de acetileno. o HACA, se muestra en la parte superior. En el fondo, algunos pasos posibles mediante los cuales el pireno puede formar hidrocarburos más complejos a través de HACA (rojo) u otro mecanismo (azul) llamado abstracción de hidrógeno:adición de vinilacetileno (HAVA). Crédito:Long Zhao, Ralf I. Kaiser, et al./ Astronomía de la naturaleza , DOI:10.1038 / s41550-018-0399-y
El pireno pertenece a una familia conocida como hidrocarburos aromáticos policíclicos, o PAH, que se estima que representan alrededor del 20 por ciento de todo el carbono en nuestra galaxia. Los PAH son moléculas orgánicas que se componen de una secuencia de anillos moleculares fusionados. Para explorar cómo se desarrollan estos anillos en el espacio, los científicos trabajan para sintetizar estas moléculas y otras moléculas circundantes que se sabe que existen en el espacio.
Alexander M. Mebel, un profesor de química de la Universidad Internacional de Florida que participó en el estudio, dijo, "Los construyes un anillo a la vez, y hemos estado haciendo estos anillos cada vez más grandes. Esta es una forma muy reduccionista de ver los orígenes de la vida:un bloque de construcción a la vez ".
Para este estudio, Los investigadores exploraron las reacciones químicas derivadas de una combinación de un hidrocarburo complejo conocido como radical 4-fenantrenilo, que tiene una estructura molecular que incluye una secuencia de tres anillos y contiene un total de 14 átomos de carbono y nueve átomos de hidrógeno, con acetileno (dos átomos de carbono y dos átomos de hidrógeno).
Los compuestos químicos necesarios para el estudio no estaban disponibles comercialmente, dijo Felix Fischer, un profesor asistente de química en UC Berkeley que también contribuyó al estudio, así que su laboratorio preparó las muestras. "Estos productos químicos son muy tediosos de sintetizar en el laboratorio, " él dijo.
En la ALS, Los investigadores inyectaron la mezcla de gas en un microrreactor que calentó la muestra a una temperatura alta para simular la proximidad de una estrella. El ALS genera rayos de luz, de infrarrojos a longitudes de onda de rayos X, para apoyar una variedad de experimentos científicos por parte de investigadores internos y visitantes.
La mezcla de gases se expulsó del microrreactor a través de una pequeña boquilla a velocidades supersónicas, deteniendo la química activa dentro de la celda calentada. Luego, el equipo de investigación enfocó un rayo de luz ultravioleta al vacío del sincrotrón sobre la mezcla de gas caliente que eliminó los electrones (un efecto conocido como ionización).
Luego analizaron la química que estaba teniendo lugar utilizando un detector de partículas cargadas que midió los tiempos de llegada variados de las partículas que se formaron después de la ionización. Estos tiempos de llegada llevaban las firmas reveladoras de las moléculas parentales. Estas medidas experimentales, junto con los cálculos teóricos de Mebel, ayudó a los investigadores a ver los pasos intermedios de la química en juego y a confirmar la producción de pireno en las reacciones.
El trabajo de Mebel mostró cómo el pireno (una estructura molecular de cuatro anillos) podría desarrollarse a partir de un compuesto conocido como fenantreno (una estructura de tres anillos). Estos cálculos teóricos pueden ser útiles para estudiar una variedad de fenómenos, "desde las llamas de combustión en la Tierra hasta las salidas de estrellas de carbono y el medio interestelar, "Dijo Mebel.
Kaiser agregado, "Los estudios futuros podrían estudiar cómo crear cadenas aún más grandes de moléculas anilladas utilizando la misma técnica, y explorar cómo formar grafeno a partir de la química del pireno ".
Otros experimentos llevados a cabo por miembros del equipo de la Universidad de Hawai explorarán lo que sucede cuando los investigadores mezclan gases de hidrocarburos en condiciones heladas y simulan la radiación cósmica para ver si eso puede provocar la creación de moléculas portadoras de vida.
"¿Es esto un detonante suficiente?" Ahmed dijo. "Tiene que haber algo de autoorganización y autoensamblaje involucrados" para crear formas de vida. "La gran pregunta es si esto es algo que, inherentemente, las leyes de la física lo permiten ".
