La evidencia sugiere que los nanotubos de carbono, pequeños tubos que consisten en carbono puro, podrían forjarse en las envolturas de polvo y gas que rodean a las estrellas moribundas. Los hallazgos proponen un mecanismo simple pero elegante para la formación y supervivencia de moléculas de carbono complejas en el espacio.

A mediados de la década de 1980, el descubrimiento de moléculas de carbono complejas que se desplazan a través del medio interestelar atrajo una atención significativa, siendo posiblemente el ejemplo más famoso el Buckminsterfullereno, o "buckyballs", esferas que constan de 60 o 70 átomos de carbono. Sin embargo, los científicos se han esforzado por comprender cómo se pueden formar estas moléculas en el espacio.

En un artículo aceptado para su publicación en el Journal of Physical Chemistry A , investigadores de la Universidad de Arizona sugieren una explicación sorprendentemente simple. Después de exponer el carburo de silicio, un ingrediente común de los granos de polvo en las nebulosas planetarias, a condiciones similares a las que se encuentran alrededor de las estrellas moribundas, los investigadores observaron la formación espontánea de nanotubos de carbono, que son moléculas en forma de varilla altamente estructuradas que consisten en múltiples capas de láminas de carbono. . Los hallazgos se presentaron el 16 de junio en la 240.ª Reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Pasadena, California.

Dirigido por el investigador de UArizona Jacob Bernal, el trabajo se basa en una investigación publicada en 2019, cuando el grupo demostró que podían crear buckyballs usando la misma configuración experimental. El trabajo sugiere que las bolas de Bucky y los nanotubos de carbono podrían formarse cuando el polvo de carburo de silicio producido por las estrellas moribundas es golpeado por altas temperaturas, ondas de choque y partículas de alta energía, lo que filtra el silicio de la superficie y deja atrás el carbono.

Los hallazgos respaldan la idea de que las estrellas moribundas pueden sembrar el medio interestelar con nanotubos y posiblemente otras moléculas de carbono complejas. Los resultados tienen implicaciones para la astrobiología, ya que proporcionan un mecanismo para concentrar carbono que luego podría transportarse a los sistemas planetarios.

"Sabemos por observaciones infrarrojas que las buckyballs pueblan el medio interestelar", dijo Bernal, investigador asociado postdoctoral en el Laboratorio Lunar y Planetario de la UArizona. "El gran problema ha sido explicar cómo estas moléculas de carbono complejas y masivas podrían formarse en un ambiente saturado con hidrógeno, que es lo que normalmente hay alrededor de una estrella moribunda".

La formación de moléculas ricas en carbono, por no hablar de las especies que contienen únicamente carbono, en presencia de hidrógeno es prácticamente imposible debido a las leyes termodinámicas. Los hallazgos del nuevo estudio ofrecen un escenario alternativo:en lugar de ensamblar átomos de carbono individuales, las bolas de Bucky y los nanotubos podrían resultar simplemente reorganizando la estructura del grafeno:láminas de carbono de una sola capa que se sabe que se forman en la superficie de los granos de carburo de silicio calentado.

Esto es exactamente lo que Bernal y sus coautores observaron cuando calentaron muestras de carburo de silicio disponibles en el mercado a las temperaturas que se dan en las estrellas muertas o moribundas y las fotografiaron. A medida que la temperatura se acercaba a los 1.050 grados centígrados, se observaron en la superficie del grano pequeñas estructuras hemisféricas con un tamaño aproximado de alrededor de 1 nanómetro. En cuestión de minutos de calentamiento continuo, los cogollos esféricos comenzaron a crecer en estructuras similares a varillas, que contenían varias capas de grafeno con curvatura y dimensiones que indicaban una forma tubular. Los nanotúbulos resultantes tenían entre 3 y 4 nanómetros de largo y ancho, más grandes que las bolas de Bucky. Los especímenes fotografiados más grandes estaban compuestos por más de cuatro capas de carbono grafítico. Durante el experimento de calentamiento, se observó que los tubos se movían antes de brotar de la superficie y ser absorbidos por el vacío que rodeaba la muestra.

"Nos sorprendió que pudiéramos hacer estas estructuras extraordinarias", dijo Bernal. "Químicamente, nuestros nanotubos son muy simples, pero extremadamente hermosos".

Llamados así por su parecido con las obras arquitectónicas de Richard Buckminster Fuller, los fullerenos son las moléculas más grandes que se conocen actualmente en el espacio interestelar, que durante décadas se creía que carecía de moléculas que contuvieran más de unos pocos átomos, 10 como máximo. Ahora está bien establecido que los fullerenos C60 y C70, que contienen 60 o 70 átomos de carbono, respectivamente, son ingredientes comunes del medio interestelar.

Uno de los primeros de su tipo en el mundo, el microscopio electrónico de transmisión alojado en el Centro de Imagen y Caracterización de Materiales de Kuiper en UArizona es especialmente adecuado para simular el entorno de la nebulosa planetaria. Su haz de electrones de 200.000 voltios puede sondear la materia hasta 78 picómetros, la distancia de dos átomos de hidrógeno en una molécula de agua, lo que permite ver átomos individuales. El instrumento opera en un vacío que se parece mucho a la presión, o la falta de ella, que se cree que existe en entornos circunestelares.

Mientras que una molécula esférica de C60 mide 0,7 nanómetros de diámetro, las estructuras de nanotubos formadas en este experimento medían varias veces el tamaño de C60, superando fácilmente los 1.000 átomos de carbono. Los autores del estudio confían en que sus experimentos replicaron con precisión las condiciones de temperatura y densidad que se esperarían en una nebulosa planetaria, dijo la coautora Lucy Ziurys, profesora de Astronomía, Química y Bioquímica de UArizona Regents.

"Sabemos que la materia prima está ahí, y sabemos que las condiciones son muy parecidas a las que verías cerca de la envoltura de una estrella moribunda", dijo. "Hay ondas de choque que atraviesan la envoltura, por lo que se ha demostrado que las condiciones de temperatura y presión existen en el espacio. También vemos buckyballs en estas nebulosas planetarias; en otras palabras, vemos los productos inicial y final que esperaría en nuestros experimentos".

Estas simulaciones experimentales sugieren que los nanotubos de carbono, junto con los fullerenos más pequeños, se inyectan posteriormente en el medio interestelar. Se sabe que los nanotubos de carbono tienen una alta estabilidad frente a la radiación, y los fullerenos pueden sobrevivir durante millones de años cuando se protegen adecuadamente de la radiación cósmica de alta energía. Los meteoritos ricos en carbono, como las condritas carbonáceas, también podrían contener estas estructuras, proponen los investigadores.

Según el coautor del estudio Tom Zega, profesor del Laboratorio Lunar y Planetario de la UArizona, el desafío es encontrar nanotubos en estos meteoritos, debido a los tamaños de grano muy pequeños y porque los meteoritos son una mezcla compleja de materiales orgánicos e inorgánicos, algunos con tamaños similares a los de los nanotubos.

"Sin embargo, nuestros experimentos sugieren que tales materiales podrían haberse formado en el espacio interestelar", dijo Zega. "Si sobrevivieron al viaje a nuestra parte local de la galaxia donde se formó nuestro sistema solar hace unos 4500 millones de años, podrían conservarse dentro del material que quedó".

Zega dijo que un excelente ejemplo de ese material sobrante es Bennu, un asteroide carbonoso cercano a la Tierra del que la misión OSIRIS-REx de la NASA, dirigida por UArizona, recogió una muestra en octubre de 2020. Los científicos esperan ansiosamente la llegada de esa muestra, programada para 2023.

"El asteroide Bennu podría haber conservado estos materiales, por lo que es posible que encontremos nanotubos en ellos", dijo Zega. + Explora más

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