Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các điều kiện bắt chước được cho là tồn tại xung quanh các ngôi sao đang hấp hối, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một cơ chế có thể giải thích tại sao các tinh vân hành tinh lại có rất nhiều phân tử carbon phức tạp.
Các nhà khoa học từ lâu đã rất bối rối trước sự tồn tại của cái gọi là “buckyballs” – các phân tử carbon phức tạp với cấu trúc giống như quả bóng đá – trong khắp không gian giữa các vì sao. Bây giờ, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Arizona đã đề xuất một cơ chế cho sự hình thành của họ trong một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Vật lý Thiên văn .
Carbon 60 hay gọi tắt là C60 có tên chính thức là Buckminsterfullerene với các phân tử hình cầu gồm 60 nguyên tử carbon được tổ chức thành các vòng năm thành viên và sáu thành viên. Cái tên “buckyball” bắt nguồn từ sự giống nhau của chúng với công trình kiến trúc của Richard Buckminster Fuller, người đã thiết kế nhiều cấu trúc mái vòm trông giống với C60. Sự hình thành của chúng được cho là chỉ có thể xảy ra trong môi trường phòng thí nghiệm cho đến khi việc phát hiện trong không gian của chúng thách thức giả định này.
Trong nhiều thập kỷ, mọi người nghĩ rằng không gian giữa các vì sao chỉ được rắc các phân tử nhẹ: chủ yếu là các nguyên tử đơn, phân tử hai nguyên tử và các phân tử chín hoặc 10 nguyên tử. Điều này là cho đến khi các phân tử C60 và C70 khổng lồ được phát hiện vài năm trước.
Các nhà nghiên cứu cũng ngạc nhiên khi thấy rằng chúng được cấu tạo từ carbon tinh khiết. Trong phòng thí nghiệm, C60 được tạo ra bằng cách nổ các nguồn carbon tinh khiết, chẳng hạn như than chì. Trong không gian, C60 được phát hiện trong tinh vân hành tinh, là mảnh vỡ của các ngôi sao sắp chết. Môi trường này có khoảng 10.000 phân tử hydro cho mỗi phân tử carbon.
Jacob Bernal, tác giả chính của bài báo cho biết: “Bất kỳ hydro nào cũng nên phá hủy tổng hợp fullerene. Nếu bạn có một hộp bóng và cứ 10.000 quả bóng hydro bạn có một carbon, bạn tiếp tục lắc chúng thì khả năng bạn có được 60 carbons để dính vào nhau là gì? Điều đó rất khó xảy ra.”
Bernal và các đồng tác giả đã bắt đầu nghiên cứu cơ chế C60 sau khi nhận ra rằng kính hiển vi điện tử truyền qua, hay TEM, được đặt tại Cơ sở Hình ảnh và Đặc tính Vật liệu Kuiper tại UArizona, có thể mô phỏng khá tốt môi trường tinh vân hành tinh.
TEM được tài trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia và NASA có số sê-ri là “1” vì đây là loại đầu tiên trên thế giới có cấu hình chính xác. Chùm electron 200.000 volt của nó có thể thăm dò vật chất xuống tới 78 picomet – quy mô quá nhỏ để bộ não con người có thể hiểu được – để nhìn thấy các nguyên tử riêng lẻ. Nó hoạt động dưới chân không với áp suất cực thấp.
Không phải là các nhà khoa học nhất thiết phải điều chỉnh thiết bị để có những loại áp lực cụ thể này. Những thiết bị này hoạt động ở những áp suất rất thấp không phải vì họ muốn chúng giống như những ngôi sao, mà bởi vì các phân tử của khí quyển cản trở bạn khi bạn cố gắng chụp ảnh độ phân giải cao bằng kính hiển vi điện tử.
Nhóm nghiên cứu đã hợp tác với Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, gần Chicago, nơi có TEM có khả năng nghiên cứu phản ứng bức xạ của vật liệu. Họ đặt silicon carbide, một dạng bụi phổ biến được tạo ra trong các ngôi sao, trong môi trường áp suất thấp của TEM, chịu nhiệt độ lên tới 1.830 độ F và chiếu xạ nó bằng các ion xenon năng lượng cao.
Sau đó nó đã được đưa trở lại Tucson để các nhà nghiên cứu sử dụng độ phân giải cao hơn và khả năng phân tích tốt hơn của UArizona TEM. Họ biết rằng giả thuyết của họ sẽ được xác nhận nếu họ quan sát thấy việc đổ silicon và phơi nhiễm carbon tinh khiết.
Silicon đã thoát ra và sau đó khi các hạt có bề mặt không bằng phẳng, các vòng năm thành viên và sáu thành viên đã hình thành và tạo ra các cấu trúc hình cầu khớp với đường kính của C60. Vì vậy nhóm nghiên cứu nghĩ rằng chúng ta đang nhìn thấy C60.
Công trình này cho thấy C60 có nguồn gốc từ bụi silic cacbua được tạo ra bởi các ngôi sao sắp chết, sau đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao, sóng xung kích và các hạt năng lượng cao, hút silicon từ bề mặt và để lại carbon. Những phân tử lớn này bị phân tán vì các ngôi sao sắp chết đẩy vật chất của chúng vào môi trường giữa các vì sao – khoảng trống ở giữa các ngôi sao – do đó chiếm sự hiện diện của chúng bên ngoài tinh vân hành tinh. Buckyball rất ổn định với bức xạ, cho phép chúng tồn tại hàng tỷ năm nếu được bảo vệ khỏi môi trường khắc nghiệt của không gian.
Các điều kiện trong vũ trụ nơi chúng ta mong đợi những thứ phức tạp sẽ bị phá hủy thực sự là những điều kiện tạo ra chúng và những tác động của những phát hiện là vô tận.
Nếu cơ chế này hình thành C60, có lẽ nó sẽ hình thành tất cả các loại cấu trúc nano carbon và nếu bạn đọc các tài liệu hóa học, tất cả đều được cho là vật liệu tổng hợp chỉ được tạo ra trong phòng thí nghiệm, tuy nhiên, không gian giữa các vì sao dường như làm cho chúng tự nhiên.
Nếu những phát hiện là bất kỳ dấu hiệu nào, có vẻ như có nhiều vũ trụ phải cho chúng ta biết về cách thức hóa học thực sự hoạt động.
Công trình này được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia (AST-1515568, 1531243 và AST-1907910), NASA (NNX15AD94G, NNX15AJ22G, NNX16A31G, NNX12AL47G và 80NSSC19K0509), Viện sức khỏe quốc gia Hoa Kỳ -AC07-051D14517) và Chương trình học giả cơ bản của Sloan Foundation.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Arizona . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :