Ilustración de una explosión de supernova. Esas masas de materia arremolinadas dieron forma a las primeras formas de carbono, precursoras de moléculas que, según algunos científicos, están conectadas con la síntesis de las primeras formas de vida en la Tierra. Crédito:Imágenes de la NASA / Shutterstock
Durante casi medio siglo, astrofísicos y químicos orgánicos han estado a la caza de los orígenes de C 6 H 6 , el anillo de benceno, un elegante, Molécula hexagonal compuesta por 6 átomos de carbono y 6 átomos de hidrógeno.
Los astrofísicos dicen que el anillo de benceno podría ser el componente fundamental de los hidrocarburos aromáticos policíclicos o PAH, los materiales más básicos formados a partir de la explosión de la muerte, estrellas ricas en carbono. Esa masa arremolinada de materia eventualmente daría forma a las formas más tempranas de carbono, precursoras de moléculas que, según algunos científicos, están conectadas a la síntesis de las formas más tempranas de vida en la Tierra.
Paradójicamente, Los PAH tienen un lado oscuro, también. Los procesos industriales detrás de las refinerías de petróleo crudo y el funcionamiento interno de los motores de combustión a gas pueden emitir PAH, que puede convertirse en una bola de nieve en contaminantes tóxicos del aire como el hollín.
Exactamente cómo se formó el primer anillo de benceno a partir de estrellas en el universo temprano, y cómo los motores de combustión desencadenan la reacción química que altera el anillo de benceno en partículas contaminantes de hollín, ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo.
Pero ahora, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), la Universidad de Hawaii en Manoa, y Florida International University han demostrado la primera medición en tiempo real, utilizando métodos basados en laboratorio, de partículas inestables llamadas radicales libres que reaccionan en condiciones cósmicas, provocando que los átomos de carbono e hidrógeno elementales se fusionen en anillos de benceno primarios.
Los investigadores dicen que sus hallazgos, publicado recientemente en la revista Avances de la ciencia , son clave para comprender cómo evolucionó el universo con el crecimiento de compuestos de carbono. Esa información también podría ayudar a la industria del automóvil a fabricar motores de combustión más limpios.
Un tipo de radical libre llamado radical propargilo (C 3 H 3 ) es extremadamente reactivo debido a su propensión a perder un electrón, y ha estado implicado en la formación de hollín durante décadas. Los investigadores creían que la recombinación de dos radicales propargilo libres, C 3 H 3 · + C 3 H 3 ·, dio lugar al primer anillo aromático, benceno.
El estudio actual es la primera demostración de la llamada "autorreacción del propargilo radical" en condiciones astroquímicas y de combustión. Usando una temperatura alta, reactor químico del tamaño de una moneda llamado "boquilla caliente, "los investigadores simularon la alta presión, ambiente de alta temperatura dentro de un motor de combustión, así como la atmósfera rica en hidrocarburos de Titán, la luna de Saturno, y observó la formación de isómeros, moléculas con la misma fórmula química pero diferentes estructuras atómicas, a partir de dos radicales propargilo que conducen al anillo de benceno.
La técnica de la boquilla caliente, que coautor principal Musahid Ahmed, científico senior de la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley, adaptado hace 10 años en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab para experimentos de sincrotrón, se basa en la espectroscopía ultravioleta al vacío (VUV) para detectar isómeros individuales. El ALS es un tipo de acelerador de partículas conocido como sincrotrón que genera haces de luz extremadamente brillantes que van desde infrarrojos hasta rayos X.
Los investigadores dirigieron la técnica para detener la autorreacción del radical propargilo, que se desarrolla en microsegundos, justo antes de que se produzcan PAH más grandes y la consiguiente formación de hollín. El convincente resultado respalda las predicciones de los experimentos dirigidos por el coautor principal Ralf Kaiser, profesor de química en la Universidad de Hawaii en Manoa, y simulaciones de química cuántica formuladas por el coautor principal Alexander Mebel, profesor de química en Florida International University.
Creen que el hallazgo podría algún día conducir a motores de combustión más limpios. Tener motores de gas más eficientes, algunos analistas dicen, sigue siendo importante, porque pueden pasar otros 25 años antes de que podamos reemplazar toda la flota de automóviles de gasolina con vehículos eléctricos (EV). Es más, equipar los aviones y el componente a gasolina de los vehículos eléctricos híbridos enchufables con motores de combustión más limpios podría ayudar a reducir el CO 2 emisiones que contribuyen al cambio climático.
Ahmed dijo que planea ampliar los métodos empleados para estudiar el crecimiento de PAH, e investigar otros sistemas de relevancia para la misión del DOE, como la desalinización de agua y la ciencia ambiental.
"También nos gustaría ir a atrapar un buckyball, C 60 , una de las mayores pistas de la naturaleza sobre los secretos detrás de la simetría, "Dijo Ahmed.
Kaiser agregó que su investigación podría ayudar a los astrónomos a trazar un mapa de carbono del universo, y concentrarse en los orígenes cósmicos detrás de los marcos de carbono del ADN.
