以意想不到的方式，在太空中生成复杂碳分子

很长时间以来，人们一直认为，星际空间中应该只有非常小的分子，也就是那些仅仅由几个原子构成的分子。

但到了20世纪80年代中期，当天文学家在星际介质中发现了漂浮着的复杂碳分子时，立刻引起了极大的关注。最著名的例子就包括了巴克敏斯特富勒烯，也叫巴克球，因其与巴克敏斯特·富勒的建筑作品相似而得名。

巴克球是由60或70个碳原子构成的球体结构（C60和C70），是目前已知在星际空间中出现的最大的分子。现在已经确定，C60和C70其实是星际介质中相对常见的成分。

太空中的巴克球的艺术家概念图。（图／NASA, JPL-Caltech）

那么，接下来的问题便是，巴克球以及其他相对复杂的碳分子，究竟是如何在太空中形成的？

近日，在一篇发表在《物理化学杂志A》的论文中，一组研究团队提出了一个并不复杂的过程。他们将行星状星云中尘埃颗粒的常见成分碳化硅暴露在了类似垂死恒星周围的条件下，观察到了碳纳米管（一种由多层碳片组成的高度结构化的棒状分子）的自发形成。

  从碳化硅到碳纳米管  

根据热力学定律，在氢存在的情况下，富含碳的分子几乎不可能形成，更不用说纯碳分子了。但垂死的恒星周围正是一个富含氢的环境，这些相对复杂的碳分子又是如何出现的？

新的研究结果提供了另一种思路：巴克球和碳纳米管并不是由单个碳原子组装而成，而是由石墨烯的结构重新排列产生的，这些单层碳片会在受热的碳化硅晶粒表面形成。

科学家使用了一台被称为透射电子显微镜的实验设备，它非常适合模拟行星状星云的环境。它的20万伏电子束可以探测到78皮米的物质，差不多是一个水分子中两个氢原子的距离，这让它有可能看到单个原子。仪器在真空中运行，这和星周环境中的压强也非常相似。

团队相信，实验准确地复制了行星状星云中预期的温度和密度条件。几年前，相同的实验装置已经发现了巴克球的“诞生”。

研究人员认为，当垂死的恒星制造的碳化硅尘埃受到高温、冲击波和高能粒子的冲击，从表面“沥出”硅，并留下碳时，可能会形成巴克球和碳纳米管。这正是将市售的碳化硅样品加热到垂死或死亡恒星中的温度时所观察到的情况。

当温度接近1050摄氏度时，在晶粒表面会出现约1纳米大小的半球结构。在持续加热的几分钟里，球状的“萌芽”开始发展成棒状结构，包含几个石墨烯层，其曲率和尺寸指向了管状结构。

所产生的纳米管的长宽约为3到4纳米，比巴克球更大。C60分子直径为0.7纳米，但是在这个实验中形成的纳米管结构的尺寸是C60的几倍，很容易超过1000个碳原子。最大的成像标本由四层以上的石墨碳构成。

这张示意图表明，实验加热使一个碳化硅颗粒摆脱了硅原子（绿），留下了碳原子（黑），这些碳原子组合成石墨烯片，并最终形成棒状的碳纳米管和球形的巴克球。（图／Jacob Bernal, University of Arizona）

在加热实验中，这些小管在脱离表面前晃动，并被吸进样品周围的真空中。这些实验模拟表明，碳纳米管与较小的富勒烯，可能在这样的环境中生成后被注入星际介质中。

  播撒碳分子  

这些发现支持这样的观点，垂死的恒星可能在星际介质中播下纳米管和其他各种复杂碳分子。众所周知，碳纳米管具有较高的抗辐射稳定性，而富勒烯在充分屏蔽高能宇宙辐射的情况下能够存在数百万年。

这对天体生物学产生了深远的影响，因为它们提供了一种集中碳的机制，随后这些分子可以被运送到行星系中。比如，如果一些分子在45亿年前，在来到我们太阳系形成的地方的旅程中幸存下来，那么它们就有可能被保存在那些遗留的材料里。研究人员因此提出，富含碳的陨石，比如碳质球粒陨石，也有可能包含这些结构。

接下来的挑战便在于，如何在这些陨石中找到纳米管，因为陨石颗粒的尺寸通常非常小，而且陨石是有机和无机材料的复杂混合体。

科学家特别提到了小行星贝努（101955号），那是一颗碳质近地小行星。2020年10月，OSIRIS-REx任务从这颗小行星上采集到了一份样本。目前，科学家正急切地等待着这份样本被运送回地球。

或许我们在不久的将来就能从中找到令人惊喜的发现。