Newswise – On soupçonne depuis longtemps que le fullerène et ses dérivés pourraient se former naturellement dans l’univers. Ce sont de grosses molécules de carbone en forme de ballon de football, de saladier ou de nanotube. Une équipe internationale de chercheurs utilisant la source de lumière synchrotron suisse SLS au PSI a démontré le fonctionnement de cette réaction. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue communication nature.
“Nous sommes de la poussière d’étoiles, nous sommes de l’or. Nous sommes du carbone vieux d’un milliard d’années. Dans la chanson qu’ils ont interprétée à Woodstock, le groupe américain Crosby, Stills, Nash & Young a résumé ce dont les humains sont essentiellement faits : la poussière d’étoiles. Toute personne ayant un peu de connaissance en astronomie peut confirmer les propos du groupe culte américain : les planètes et les humains sont faits de poussière de supernovae brûlées et de composés de carbone vieux de plusieurs milliards d’années. L’univers est un réacteur géant et comprendre ces réactions signifie comprendre les origines et le développement de l’univers, et d’où viennent les humains.
Dans le passé, la formation des fullerènes et de leurs dérivés dans l’univers était un casse-tête. Ces molécules de carbone, en forme de ballon de football, de bol ou de petit tube, ont été créées pour la première fois en laboratoire dans les années 1980. En 2010, le télescope spatial infrarouge Spitzer a découvert le C60 molécules ayant la forme caractéristique d’un ballon de football, appelées buckyballs, dans la nébuleuse planétaire Tc 1. Ce sont donc les plus grosses molécules découvertes à ce jour connues pour exister dans l’univers au-delà de notre système solaire.
Mais comment s’y forment-ils réellement ? Une équipe de chercheurs d’Honolulu (États-Unis), de Miami (États-Unis) et de Tianjin (Chine) vient de franchir une étape réactionnelle importante dans la formation des molécules, avec le soutien actif du PSI et du pipeline de recherche sur la lumière ultraviolette sous vide (VUV). de la lumière synchrotron. Source suisse SLS. «Le PSI offre des installations expérimentales uniques et c’est pourquoi nous avons décidé de collaborer avec Patrick Hemberger au PSI», explique Ralf Kaiser de l’Université d’Hawaï à Honolulu, le principal chercheur international dans ce domaine.
Un mini réacteur pour le fullerène
Patrick Hemberger, un scientifique travaillant sur la ligne de lumière VUV au PSI, a construit un mini-réacteur pour observer la formation de fullerène en temps réel. Un radical coranulène (Cvingth9) est créé dans un réacteur à une température de 1 000 degrés Celsius. Cette molécule ressemble à un saladier, comme si elle avait été disséquée d’un C60 bucky ball Ce radical est très réactif. Réagit avec le vinylacétylène (C4h4), qui dépose une couche de carbone sur le pourtour du récipient. “En répétant ce processus plusieurs fois, la molécule se développerait pour devenir le capuchon d’extrémité d’un nanotube. Nous avons réussi à démontrer ce phénomène dans des simulations informatiques », explique Alexander Mebel, professeur de chimie à la Florida International University et l’un des auteurs de l’étude. Mais ce n’était pas le seul objectif des chercheurs : “Nous voulions montrer que ce type de réaction est physiquement possible”, ajoute Ralf Kaiser.
La réaction produit différents isomères, des molécules qui ont toutes la même masse, mais des structures légèrement différentes. Avec la spectrométrie de masse standard, toutes ces variantes produisent le même signal. Mais le résultat est différent lorsqu’on utilise la spectroscopie de coïncidence de photoélectrons et de photoions, la méthode adoptée par l’équipe. « Avec cette technique, la structure de la courbe de mesure permet de tirer des conclusions sur chaque isomère individuel », explique Patrick Hemberger.
Résoudre le puzzle des molécules classiques en forme de ballon de football
« L’univers contient une jungle sauvage de molécules et de réactions chimiques ; tous ne peuvent pas être clairement classés dans les signaux des télescopes », explique Ralf Kaiser. Nous savons déjà à partir de modèles que le corannulène et le vinylacétylène existent dans l’univers. Il a maintenant été possible de confirmer que ces molécules forment réellement les éléments constitutifs du fullerène. “C’est pourquoi l’expérience du PSI nous est si précieuse.”
Mais la publication réussie dans communication nature ce n’est pas la fin de l’histoire. Les chercheurs veulent faire plus d’expériences pour comprendre comment les balles de bucky classiques se forment dans l’univers, ainsi que des molécules de fullerène en forme de ballon de football avec 60 atomes de carbone et de minuscules nanotubes avec encore plus d’atomes.
Texte : Bernd Müller
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