Les nanostructures de carbone qui se sont formées dans des enveloppes circumstellaires autour d'étoiles riches en carbone peuvent avoir une origine chimique commune avec des particules de suie produites par la combustion de carburant. Le même mécanisme de réaction peut sous-tendre chaque processus, ont montré les chercheurs de KAUST. Le mécanisme proposé pourrait également conduire à des méthodes améliorées pour la fabrication de nanomatériaux de carbone.

On pense que la formation de nanoparticules riches en carbone - qu'elles soient de nature interstellaire ou comburante - repose sur des composés appelés hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), qui s'apparentent à des amas d'anneaux benzéniques fusionnés maintenus ensemble par des liaisons pi carbone-carbone partagées. Plusieurs mécanismes ont été proposés pour expliquer comment les HAP pourraient se combiner avec d'autres molécules de carbone pour se transformer en suie et en nanoparticules de carbone associées.

"Toutes ces études, cependant, sont insuffisantes pour expliquer la création d'"hydrocarbures aromatiques péri-condensés" avec uniquement des liaisons pi entre les atomes de carbone, qui peuvent être présents en grande quantité dans les flammes", explique Hanfeng Jin, postdoctorant chez Aamir Farooq. laboratoires, qui a dirigé la recherche. "Nous avons proposé un nouveau mécanisme qui explique la nucléation des hydrocarbures aromatiques péri-condensés."

L'équipe a montré que la nucléation des hydrocarbures aromatiques péri-condensés pouvait s'expliquer par des réactions entre les molécules d'aryle aromatique et le phénylacétylène, via un mécanisme d'abstraction d'hydrogène et d'addition de phénylacétylène (HAPaA). "Le phénylacétylène se forme facilement et peut être présent en quantités considérables dans les flammes", explique Jin. Le benzène et l'acétylène, les précurseurs du phénylacétylène, sont connus pour être des intermédiaires cruciaux en astrochimie et en chimie de la combustion, ajoute-t-il.

Les chercheurs ont utilisé des calculs de chimie quantique pour montrer que les hydrocarbures aromatiques péri-condensés peuvent se développer par addition de phénylacétylène à des structures en forme de zig-zag et de fauteuil autour de la périphérie de la molécule d'aryle. L'étape initiale du mécanisme HAPaA n'a pas de barrière énergétique, elle est donc tout aussi pertinente pour la chimie interstellaire à basse température que pour la combustion à haute température.

Les intermédiaires et les produits de réaction HAPaA prédits par la théorie ont été confirmés expérimentalement à l'aide de la spectrométrie de masse à faisceau moléculaire de photoionisation ultraviolette sous vide synchrotron à la pointe de la technologie, a déclaré Jin. Le mécanisme HAPaA était également applicable à des analogues moléculaires plus grands du phénylacétylène, permettant des cycles répétés de regroupement des HAP vers la formation de nanoparticules carbonées.

"La beauté de notre mécanisme proposé, par rapport aux voies traditionnelles de formation et de croissance des HAP, est qu'il est universellement applicable", déclare Farooq. "Cette compréhension mécaniste nous aiderait à limiter la formation de particules de suie provenant des systèmes de combustion, par exemple en utilisant des composés chimiques qui suppriment les zig-zags et les périphéries des fauteuils, ce qui augmente l'efficacité du mécanisme HAPaA", dit-il. "De même, notre mécanisme proposé peut être utilisé pour augmenter la fidélité des modèles utilisés pour prédire l'évolution du carbone dans les milieux interstellaires."

L'étude est publiée dans le Journal of the American Chemical Society . + Explorer plus loin

Un virage radical pour lier formation de suie et évolution interstellaire