Universeel mechanisme om de vorming van koolstofnanodeeltjes in interstellaire en terrestrische omgevingen te verklaren

Koolstofnanostructuren die gevormd zijn in circumstellaire omhulsels rond koolstofrijke sterren kunnen een gedeelde chemische oorsprong hebben met roetdeeltjes die worden geproduceerd door brandstofverbranding. Hetzelfde reactiemechanisme kan elk proces ondersteunen, hebben KAUST-onderzoekers aangetoond. Het voorgestelde mechanisme zou ook kunnen leiden tot verbeterde methoden voor de vervaardiging van koolstofnanomaterialen.

Aangenomen wordt dat de vorming van koolstofrijke nanodeeltjes – of ze nu interstellair of verbrand van aard zijn – afhankelijk is van verbindingen die polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK’s) worden genoemd, die verwant zijn aan clusters van gefuseerde benzeenringen die bij elkaar worden gehouden door gedeelde koolstof-koolstof pi-bindingen. Er zijn verschillende mechanismen voorgesteld om te verklaren hoe PAK’s kunnen worden gecombineerd met andere koolstofmoleculen om uit te groeien tot roet en verwante koolstofnanodeeltjes.

“Al deze onderzoeken zijn echter onvoldoende om het ontstaan ​​van ‘peri-gecondenseerde aromatische koolwaterstoffen’ met alleen pi-bindingen tussen koolstofatomen, die in grote hoeveelheden in vlammen aanwezig kunnen zijn, te verklaren”, zegt Hanfeng Jin, een postdoc in Aamir Farooq’s laboratoria, die het onderzoek leidden. “We hebben een nieuw mechanisme voorgesteld dat de kiemvorming van peri-gecondenseerde aromatische koolwaterstoffen verklaart.”

Het team toonde aan dat peri-gecondenseerde aromatische koolwaterstofkiemvorming kan worden verklaard door reacties tussen aromatische arylmoleculen en fenylacetyleen, via een waterstofabstractie-fenylacetyleenadditiemechanisme (HAPaA). “Fenylacetyleen wordt gemakkelijk gevormd en kan in aanzienlijke hoeveelheden in vlammen aanwezig zijn”, legt Jin uit. Zowel benzeen als acetyleen, de voorlopers van fenylacetyleen, staan ​​bekend als cruciale tussenproducten in de astrochemie en verbrandingschemie, voegt hij eraan toe.

De onderzoekers gebruikten kwantumchemische berekeningen om aan te tonen dat peri-gecondenseerde aromatische koolwaterstoffen kunnen groeien door toevoeging van fenylacetyleen tot zigzag- en fauteuilvormige structuren rond de periferie van het arylmolecuul. De eerste stap van het HAPaA-mechanisme heeft geen energiebarrière en is dus even relevant voor zowel interstellaire chemie bij lage temperatuur als voor verbranding bij hoge temperatuur.

HAPaA-reactietussenproducten en producten voorspeld door de theorie werden experimenteel bevestigd met behulp van ultramoderne synchrotron vacuüm ultraviolet foto-ionisatie moleculaire bundel massaspectrometrie, zegt Jin. Het HAPaA-mechanisme was ook toepasbaar op grotere moleculaire analogen van fenylacetyleen, waardoor herhaalde cycli van PAK-clustering naar koolstofhoudende nanodeeltjesvorming mogelijk werden.

“Het mooie van ons voorgestelde mechanisme, vergeleken met de traditionele paden van PAK-vorming en -groei, is dat het universeel toepasbaar is”, zegt Farooq. “Dit mechanistische begrip zou ons helpen de vorming van roetdeeltjes uit verbrandingssystemen te beperken, bijvoorbeeld door chemische verbindingen te gebruiken die zigzag- en fauteuilperiferieën onderdrukken, wat de efficiëntie van het HAPaA-mechanisme verhoogt”, zegt hij. “Evenzo kan ons voorgestelde mechanisme worden gebruikt om de betrouwbaarheid van modellen die worden gebruikt voor het voorspellen van de evolutie van koolstof in de interstellaire media te vergroten.”

De studie verschijnt in de Tijdschrift van de American Chemical Society.