Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Космические фуллерены

Эволюция органического вещества, финальным эпизодом которой являемся мы сами, началась не на Земле и не в протосолнечной системе. Она началась и продолжается в среднем межзвездном пространстве, молекулярных облаках, околозвездных оболочках. Изначально считалось, что в межзвездной среде присутствуют только простые двух- и трехатомные молекулы. Первые открытия подтверждали этот факт, но с течением времени стало известно, что в космосе присутствуют и более сложные соединения, большая часть которых являются органическими соединениями углерода.Углерод уникальный элемент, который является основой нашей жизни. Пятьдесят лет назад стало известно, что углеродобладает способностью организовывать различные молекулы больших и маленьких размеров. Это открытие в 1970-е годы стало неожиданным, потому что механизм появления таких сложных соединений в космическом пространстве оставался непонятным.Высказали предположение, что один из источников этих молекул оболочки старых звезд. Это связано с тем, что старые звезды, такие как Солнце, в конце своей жизни расширяются, их внешнее вещество становится более холодным, но остается плотным. В таких оболочках могут образовываться сложные молекулы, которые потом сливаются в крупные агрегаты пылинки. В это же время высказывали другое предположение, что именно в расширяющихся оболочках старых звезд образуются сложные соединения углерода.Открытие фуллереновУже после этих предположений, в середине 1980-х годов, британский химик Харольд Крото со своими коллегами решил промоделировать процесс расширения оболочки старых звезд в лаборатории. Они обнаружили, что кроме углеродных цепочек в этих экспериментах образуются тяжелые молекулы, масса которых соответствует 60 и 70 атомам углерода. Затем они установили, что эти молекулы имеют замкнутую форму шарика из 60 атомов углерода в случае молекулы C60 и более вытянутое, но тоже замкнутое образование в случае молекулы C70. Харольд Крото назвал эти молекулы бакминстерфуллеренами в честь архитектора Бакминстера Фуллера, потому что этот архитектор был известен своей любовью к созданию куполообразных конструкций, состоящих из большого количества граней. Молекула C60 и молекула C70 оказались сочетанием многогранников. Это было первое обнаружение подобных молекул, а в 1996 году Крото с соавторами получил за это открытие Нобелевскую премию.Интересно, что Крото с коллегами занимались поисками молекул, формирующихся в космическом пространстве и астрономических объектах, а фуллерены долго оставались земной принадлежностью. Производилось много попыток обнаружить их в космосе, но успехом эти попытки увенчались только в 2010 году, потому что для уверенного обнаружения фуллеренов необходимо производить наблюдение в среднем инфракрасном диапазоне, который с поверхности Земли либо не виден вообще, либо виден очень плохо. Для таких наблюдений необходим космический инструмент, и им стал телескоп имени Спитцера, запущенный в 2003 году. Этот телескоп выделялся тем, что на нем установили спектрограф, который позволял производить измерения в средней инфракрасной области именно в той области, на которую приходятся характерные спектральные линии фуллеренов.Спектральный анализМолекула C60 очень прочная и обладает жестким каркасом. Спектральные линии, по которым чаще идентифицируют молекулы, возникают в результате движений в молекулах. Движений в прочном каркасе немного, поэтому спектральных линий у фуллеренов мало. У молекулы C60 их всего четыре штуки, что очень упрощает ее идентификацию.Существуют другие разновидности сложных углеродных молекул, которые присутствуют в межзвездной среде. Например, полициклические ароматические углеводороды, состоящие из большого количества шестигранников бензола, из которых можно выстраивать плоские структуры любой формы и размера. У полициклических ароматических углеводородов спектральных линий много, поэтому они до конца в межзвездном пространстве не идентифицированы. Нам известно об их существовании, но конкретные молекулы и их структура нам до сих пор не известны. С фуллеренами все иначе: четыре четкие линии, при обнаружении которых в спектре можно точно говорить о наличии фуллеренов в объекте.Где формируются фуллереныВ 2010 году фуллерены обнаружили в молодой планетарной туманности Tc-1, и это открытие согласовывалось с предположениями об их формировании, потому что планетарная туманность это сброшенная оболочка старой звезды. После этого открытия казалось, что все хорошо, но потом появились новые наблюдения, которые показывали, что фуллерены присутствуют не только вблизи старых звезд.Оказалось, что фуллерены присутствуют в очень разнообразных объектах: вблизи молодых звезд, в молекулярных облаках, в местах, где излучение горячих звезд взаимодействует с молекулярным веществом. Эти открытия указали на важную проблему: прежнее понимание о происхождении этих молекул оказалось неверным.Проблема также состояла в том, что содержание фуллеренов оказалось везде примерно одинаковым около десятых долей процента от полного содержания атомов углерода. Если бы фуллерены синтезировались только в планетарных туманностях, то вблизи этих туманностей их содержание было бы высокое, а дальше от них уменьшалось бы, потому что они разлетались бы по космическому пространству, и их становилось бы в единице объема все меньше.Одинаковое содержание фуллеренов означало, что они формируются не только вблизи проэволюционировавших звезд. Ученые стали изучать, как фуллерены такие регулярные большие молекулы могут формироваться в межзвездном пространстве, где плотность и температура существенно ниже, чем в окрестностях проэволюционировавших звезд. Такие условия не очень благоприятны для протекания химических процессов с образованием сложных молекул. Существуют различные предположения по поводу решения этой проблемы, но точного ответа пока нет.Одно из этих предположений состоит в том, что появление фуллеренов связано полициклическими ароматическими углеводородами. Это значит, что изначально у нас присутствует полотно, составленное из молекул бензола. Полотно по составу отличается от фуллерена большим содержанием атомов водорода, которых в молекулах фуллерена нет. Если взять это полотно полициклических ароматических углеводородов и поместить его рядом с горячей массивной звездой, то излучение звезды постепенно начнет отрывать от полотна атомы водорода, а потом примется за углерод. В этом ровном полотне, сложенном из шестиугольников, начнется разрушение. Фотоны начнут выбивать из него некоторые атомы углерода, а вместо шестиугольников начнут появляться пятиугольники. Из шестиугольников можно выложить ровную структуру, но если в ней начнут появляться пятиугольники, то она будет загибаться. Чем больше становится этих пятиугольников, тем сильнее загибается структура. И в итоге полотно загибается в шарик. Самое важное, что это объяснение удалось подтвердить экспериментальными исследованиями.Проблема таких полотен в том, что их жизнь недолгая, поэтому нельзя сказать про все структуры, что процесс преобразования успевает завершиться за время их жизни. Эта нерешенная проблема рождает другие предположения например, идею, согласно которой фуллерены в межзвездной среде образуются не в результате синтеза простых соединений, а в результате разрушения сложных частиц. Для исследования этой идеи процесс можно ускорить. Если изначально присутствует не плоская, а некая пространственная структура, то из нее можно самостоятельно выбивать атомы водорода и углерода, чтобы она начала выстраиваться в шарикообразную молекулу.Фуллерены и эволюция органического веществаПока окончательного ответа на эти предположения нет, но интерес к фуллеренам большой, потому что они являются важным элементом всей эволюции органического вещества во Вселенной. Еще они могут быть активными участниками химических процессов. Например, на поверхности молекул фуллеренов может происходить формирование других молекул или формирование молекулярного водорода самой распространенной молекулы во Вселенной.Эксперименты показывают, что при наличии молекулы фуллеренов одного вида на них можно нарастить следующие слои. Молекулы бензола прилипают к молекуле фуллерена, которая постепенно обрастает новым слоем, потом еще одним. Это процесс образования нанолуковиц. Такое наслоение молекул фуллерена может вносить свой вклад и в оптические и химические свойства межзвездного вещества.Открытие фуллеренов в межзвездной среде заставило задуматься о том, что там могут быть и другие регулярные структуры, схожие с теми, которые получают на Земле. Одно из интересных предположений по поводу этой гипотезы связано с тем, что плоская структура необязательно замыкается в сферу. Она может замыкаться в трубку. Это значит, что кроме наношариков и нанолуковиц в космическом пространстве могут присутствовать и нанотрубки. Но пока нет четкого понимания, какие наблюдения нужно проводить, чтобы найти эти нанотрубки.Другая интересная астрономическая роль фуллеренов связана с тем, что некоторые фуллерены, которые мы обнаруживаем на Земле, могут иметь внешнее по отношению к Земле происхождение. Фуллерены обнаруживаются на Земле в тех местах, где падали метеориты, и в самих метеоритах, поэтому они могут оказаться компонентом органического вещества, которое заносилось на Землю при падении различных космических тел. Исследование фуллеренов на Земле в земных горных породах и телах различных метеоритов поможет разобраться с современной эволюцией органики и с эволюцией, которая происходила в ту эпоху, когда Земля и Солнечная система только начинали формироваться.
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 08.06.2020 22:14:18
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Краткая история будущего

Категории

Последние комментарии

© 2006-2020, umnikizdes.ru