Les scientifiques ont utilisé des expériences de laboratoire pour retracer les étapes chimiques menant à la création d'hydrocarbures complexes dans l'espace, montrant des voies pour former des nanostructures à base de carbone 2-D dans un mélange de gaz chauffés.

La dernière étude, qui présentait des expériences au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, pourrait aider à expliquer la présence de pyrène, qui est un composé chimique connu sous le nom d'hydrocarbure aromatique polycyclique, et des composés similaires dans certaines météorites.

Une équipe de scientifiques, y compris des chercheurs du Berkeley Lab et de l'UC Berkeley, participé à l'étude, publié le 5 mars dans le Astronomie de la nature journal. L'étude a été dirigée par des scientifiques de l'Université d'Hawaï à Manoa et a également impliqué des chimistes théoriques de l'Université internationale de Floride.

"C'est ainsi que nous pensons que certaines des premières structures à base de carbone ont évolué dans l'univers, " a déclaré Musahid Ahmed, un scientifique de la division des sciences chimiques de Berkeley Lab qui a rejoint d'autres membres de l'équipe pour effectuer des expériences à la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab.

"En partant des gaz simples, vous pouvez générer des structures unidimensionnelles et bidimensionnelles, et le pyrène pourrait vous conduire au graphène 2-D, " a dit Ahmed. " A partir de là, vous pouvez passer au graphite, et l'évolution d'une chimie plus complexe commence."

Le pyrène a une structure moléculaire composée de 16 atomes de carbone et 10 atomes d'hydrogène. Les chercheurs ont découvert que les mêmes processus chimiques chauffés qui donnent lieu à la formation de pyrène sont également pertinents pour les processus de combustion dans les moteurs de véhicules, par exemple, et la formation de particules de suie.

La dernière étude s'appuie sur des travaux antérieurs qui ont analysé des hydrocarbures avec des anneaux moléculaires plus petits qui ont également été observés dans l'espace, y compris dans la lune Titan de Saturne - à savoir le benzène et le naphtalène.

Ralf I. Kaiser, l'un des principaux auteurs de l'étude et professeur de chimie à l'Université d'Hawaï à Manoa, mentionné, "Lorsque ces hydrocarbures ont été vus pour la première fois dans l'espace, les gens sont devenus très excités. Il y avait la question de savoir comment ils se sont formés. ou se sont-ils formés sur une surface aqueuse, par exemple?

Ahmed a déclaré qu'il existe une interaction entre les astronomes et les chimistes dans ce travail de détective qui cherche à raconter l'histoire de la formation des précurseurs chimiques de la vie dans l'univers.

"Nous parlons beaucoup aux astronomes parce que nous voulons leur aide pour comprendre ce qui existe, " Ahmed a dit, "et il nous informe de réfléchir à la façon dont il est arrivé là."

Kaiser a noté que les chimistes physiques, d'autre part, peut aider à faire la lumière sur les mécanismes réactionnels qui peuvent conduire à la synthèse de molécules spécifiques dans l'espace.

Le pyrène appartient à la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques, ou HAP, qui sont estimés à représenter environ 20 pour cent de tout le carbone dans notre galaxie. Les HAP sont des molécules organiques composées d'une séquence d'anneaux moléculaires fusionnés. Pour explorer comment ces anneaux se développent dans l'espace, les scientifiques travaillent à synthétiser ces molécules et d'autres molécules environnantes connues pour exister dans l'espace.

Alexandre M. Mebel, un professeur de chimie à la Florida International University qui a participé à l'étude, mentionné, "Vous les construisez un anneau à la fois, et nous avons rendu ces anneaux de plus en plus gros. C'est une façon très réductrice de regarder les origines de la vie :un bloc de construction à la fois."

Pour cette étude, les chercheurs ont exploré les réactions chimiques résultant d'une combinaison d'un hydrocarbure complexe connu sous le nom de radical 4-phénanthrényle, qui a une structure moléculaire qui comprend une séquence de trois cycles et contient un total de 14 atomes de carbone et neuf atomes d'hydrogène, avec de l'acétylène (deux atomes de carbone et deux atomes d'hydrogène).

Les composés chimiques nécessaires à l'étude n'étaient pas disponibles dans le commerce, dit Félix Fischer, un professeur assistant de chimie à l'UC Berkeley qui a également contribué à l'étude, son laboratoire a donc préparé les échantillons. "Ces produits chimiques sont très fastidieux à synthétiser en laboratoire, " il a dit.

A l'ALS, les chercheurs ont injecté le mélange gazeux dans un microréacteur qui a chauffé l'échantillon à une température élevée pour simuler la proximité d'une étoile. L'ALS génère des faisceaux lumineux, de l'infrarouge aux longueurs d'onde des rayons X, soutenir une gamme d'expériences scientifiques par des chercheurs invités et internes.

Le mélange de gaz a été projeté hors du microréacteur à travers une minuscule buse à des vitesses supersoniques, arrêter la chimie active dans la cellule chauffée. L'équipe de recherche a ensuite concentré un faisceau de lumière ultraviolette sous vide provenant du synchrotron sur le mélange gazeux chauffé qui a éliminé les électrons (un effet connu sous le nom d'ionisation).

Ils ont ensuite analysé la chimie en cours à l'aide d'un détecteur de particules chargées qui a mesuré les différents temps d'arrivée des particules qui se sont formées après l'ionisation. Ces temps d'arrivée portaient les signatures révélatrices des molécules mères. Ces mesures expérimentales, couplé aux calculs théoriques de Mebel, a aidé les chercheurs à voir les étapes intermédiaires de la chimie en jeu et à confirmer la production de pyrène dans les réactions.

Les travaux de Mebel ont montré comment le pyrène (une structure moléculaire à quatre anneaux) pouvait se développer à partir d'un composé connu sous le nom de phénanthrène (une structure à trois anneaux). Ces calculs théoriques peuvent être utiles pour étudier une variété de phénomènes, "des flammes de combustion sur Terre aux sorties d'étoiles carbonées et du milieu interstellaire, " a déclaré Mebel.

Kaiser a ajouté, "Des études futures pourraient étudier comment créer des chaînes encore plus grandes de molécules annelées en utilisant la même technique, et d'explorer comment former du graphène à partir de la chimie du pyrène."

D'autres expériences menées par des membres de l'équipe de l'Université d'Hawaï exploreront ce qui se passe lorsque les chercheurs mélangent des gaz d'hydrocarbures dans des conditions glaciales et simulent le rayonnement cosmique pour voir si cela peut déclencher la création de molécules porteuses de vie.

« Est-ce que c'est un déclencheur suffisant ? » a dit Ahmed. "Il doit y avoir une certaine auto-organisation et auto-assemblage impliqués" pour créer des formes de vie. "La grande question est de savoir si c'est quelque chose qui, intrinsèquement, les lois de la physique le permettent."