Les molécules complexes à base de carbone sont partout dans le Cosmos. Combien de ces molécules sont formées est encore un mystère, en particulier pour les molécules de carbone formées par la nature sur la Terre primordiale qui ont donné naissance à la vie sur cette planète.

Chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos, en utilisant une technique de compression entraînée par laser et une interrogation par diffraction des rayons X à l'installation de l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) en Californie, ont récemment découvert un mécanisme de formation de molécules solides complexes en forme de feuille de carbone dans le benzène liquide, un hydrocarbure commun, qui pourrait élucider une partie du mystère de la formation du carbone.

« En utilisant des mesures de diffraction des rayons X et de diffusion des rayons X aux petits angles du benzène liquide choqué à 55 gigapascals (environ huit millions de livres par pouce carré), nous avons pu voir la formation et la structure cristalline des produits de réaction provoqués par le choc à des échelles de temps de la nanoseconde, " a déclaré le chercheur principal du projet, Dana Dattelbaum. " Les réactions chimiques dans le benzène dans ces conditions extrêmes ont donné un mélange complexe de produits composés de nouveaux allotropes de carbone et d'hydrocarbures. "

Un allotrope est constitué de deux ou plusieurs formes physiques différentes d'un élément. Graphite, graphène, et le diamant sont tous des allotropes du carbone. Benzène, une molécule en forme d'anneau qui se compose de six atomes de carbone et six atomes d'hydrogène, est principalement utilisé pour fabriquer d'autres produits chimiques, principalement de l'éthylbenzène, un précurseur du styrène, utilisé pour fabriquer des polymères et des plastiques comme le polystyrène.

Une hypothèse pour la formation de la vie sur terre est soutenue par la théorie selon laquelle les impacts d'astéroïdes et de comètes ont fourni un mécanisme pour la formation de molécules complexes à base de carbone, un élément clé de la vie, en raison des pressions et des températures extrêmes dans une onde de choc. Cette recherche montre comment le carbone évolue à partir de la simple molécule de benzène sous compression de choc. Il y a eu plusieurs travaux qui ont examiné ce problème à partir d'une approche théorique, mais ce sont les premières mesures in situ de l'évolution du benzène en carbone sous choc à l'aide de rayons X à haute brillance.

Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé un laser pour choquer un échantillon de benzène et ont chronométré une sonde à rayons X pulsée cohérente du laser à électrons libres à rayons X de la source de lumière cohérente Linac au SLAC pour obtenir la structure des produits se formant lors de la transformation du benzène sous charge de choc. L'étude, en utilisant des rayons X à haute brillance pour "voir" à l'intérieur des matériaux publiés aujourd'hui dans le journal Communication Nature , ont trouvé des structures de carbone en forme de feuille expansée dans des amas similaires à des explosifs puissants.

« Comprendre la réactivité chimique, rupture de liaison et formation de produit, est lié à une compréhension de la façon dont les explosifs initient et libèrent de l'énergie. De tels travaux aident le Laboratoire à mieux comprendre les mécanismes et la cinétique des réactions chimiques dans des conditions extrêmes liées à l'impact planétaire, applications de détonation d'explosifs et d'armes nucléaires pour le développement de modèles prédictifs, " dit Dattelbaum.

"Découvrir de nouvelles formes de carbone et des mélanges d'allotropes formés dans ces conditions extrêmes, être capable de sonder des conditions optiquement opaques avec des rayons X pour la première fois dans des réactions provoquées par des chocs, à bien des égards a été un Saint Graal remontant aux premiers travaux de physique des chocs qui ont commencé avec le projet Manhattan, " ajouta Dattelbaum.