Las nanoestructuras de carbono que se formaron en envolturas circunestelares alrededor de estrellas ricas en carbono pueden tener un origen químico compartido con partículas de hollín producidas por la combustión de combustible. El mismo mecanismo de reacción puede sustentar cada proceso, según han demostrado los investigadores de KAUST. El mecanismo propuesto también podría conducir a métodos mejorados para la fabricación de nanomateriales de carbono.

Se cree que la formación de nanopartículas ricas en carbono, ya sea de naturaleza interestelar o de combustión, se basa en compuestos llamados hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), que son similares a grupos de anillos de benceno fusionados que se mantienen unidos por enlaces pi de carbono-carbono compartidos. Se han propuesto varios mecanismos para explicar cómo los PAH podrían combinarse con otras moléculas de carbono para convertirse en hollín y nanopartículas de carbono relacionadas.

"Todos estos estudios, sin embargo, son insuficientes para explicar el inicio de los 'hidrocarburos aromáticos pericondensados' con solo enlaces pi entre los átomos de carbono, que pueden estar presentes en grandes cantidades en las llamas", dice Hanfeng Jin, un postdoctorado en Aamir Farooq. laboratorios, que dirigió la investigación. "Hemos propuesto un nuevo mecanismo que explica la nucleación de hidrocarburos aromáticos pericondensados".

El equipo demostró que la nucleación de hidrocarburos aromáticos pericondensados ​​podría explicarse por reacciones entre moléculas de arilo aromático y fenilacetileno, a través de un mecanismo de adición de fenilacetileno por extracción de hidrógeno (HAPaA). "El fenilacetileno se forma fácilmente y puede estar presente en cantidades considerables en las llamas", explica Jin. Se sabe que tanto el benceno como el acetileno, los precursores del fenilacetileno, son intermediarios cruciales en la astroquímica y la química de la combustión, agrega.

Los investigadores utilizaron cálculos químicos cuánticos para demostrar que los hidrocarburos aromáticos pericondensados ​​pueden crecer mediante la adición de fenilacetileno a estructuras en zig-zag y en forma de sillón alrededor de la periferia de la molécula de arilo. El paso inicial del mecanismo HAPaA no tiene barrera energética, por lo que es igualmente relevante tanto para la química interestelar a baja temperatura como para la combustión a alta temperatura.

Los productos e intermedios de la reacción HAPaA predichos por la teoría se confirmaron experimentalmente usando espectrometría de masas de haz molecular de fotoionización ultravioleta al vacío de sincrotrón de última generación, dice Jin. El mecanismo HAPaA también se aplicó a los análogos moleculares más grandes del fenilacetileno, lo que permitió ciclos repetidos de agrupación de PAH hacia la formación de nanopartículas carbonosas.

"La belleza de nuestro mecanismo propuesto, en comparación con las vías tradicionales de formación y crecimiento de PAH, es que es de aplicación universal", dice Farooq. "Esta comprensión mecanicista nos ayudaría a limitar la formación de partículas de hollín de los sistemas de combustión, por ejemplo, mediante el uso de compuestos químicos que suprimen el zig-zag y las periferias de los sillones, lo que aumenta la eficiencia del mecanismo HAPaA", dice. "Del mismo modo, nuestro mecanismo propuesto se puede utilizar para aumentar la fidelidad de los modelos utilizados para predecir la evolución del carbono en el medio interestelar".

El estudio aparece en el Journal of the American Chemical Society . + Explora más

Un cambio radical para vincular la formación de hollín y la evolución interestelar