Wie fußballförmige Moleküle im Universum entstehen

Seit langem wird vermutet, dass sich Fullerene und ihre Derivate auf natürliche Weise im Universum bilden könnten. Das sind große Kohlenstoffmoleküle in Form eines Fußballs, einer Salatschüssel oder einer Nanoröhre. Wie diese Reaktion funktioniert, hat ein internationales Forscherteam mit der Schweizer Synchrotronlichtquelle SLS am PSI gezeigt. Die Ergebnisse wurden gerade in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

„Wir sind Sternenstaub, wir sind golden. Wir sind Milliarden Jahre alter Kohlenstoff.“ Die US-Gruppe Crosby, Stills, Nash & Young fasste in ihrem Woodstock-Song zusammen, woraus der Mensch im Wesentlichen besteht: Sternenstaub. Jeder, der sich ein wenig mit Astronomie auskennt, kann die Worte der amerikanischen Kultband bestätigen – sowohl die Planeten als auch wir Menschen bestehen tatsächlich aus Staub ausgebrannter Supernovae und Milliarden Jahre alten Kohlenstoffverbindungen. Das Universum ist ein riesiger Reaktor, und das Verständnis dieser Reaktionen bedeutet, den Ursprung und die Entwicklung des Universums zu verstehen – und woher die Menschen kommen.

In der Vergangenheit war die Bildung von Fullerenen und ihren Derivaten im Universum ein Rätsel. Diese Kohlenstoffmoleküle in Form eines Fußballs, einer Schüssel oder eines Röhrchens wurden erstmals in den 1980er Jahren im Labor hergestellt. 2010 entdeckte das Infrarot-Weltraumteleskop Spitzer im planetarischen Nebel Tc 1 die C60-Moleküle mit der charakteristischen Form eines Fußballs, die sogenannten Buckyballs. Sie sind damit die größten bisher entdeckten Moleküle im jenseitigen Universum unser Sonnensystem.

Doch wie entstehen sie dort eigentlich? Ein Forscherteam aus Honolulu (US), Miami (US) und Tianjin (China) hat nun mit tatkräftiger Unterstützung des PSI und der Vakuum-Ultraviolett (VUV)-Beamline des Synchrotronlichts einen wichtigen Reaktionsschritt bei der Bildung der Moleküle vollzogen Quelle Schweizer SLS. «Das PSI bietet einzigartige Experimentiermöglichkeiten und deshalb haben wir uns für eine Zusammenarbeit mit Patrick Hemberger am PSI entschieden», sagt Ralf Kaiser von der University of Hawaii in Honolulu, der international führende Forscher auf diesem Gebiet.

Ein Mini-Reaktor für Fullerene

Patrick Hemberger, Wissenschaftler an der VUV-Beamline am PSI, hat einen Mini-Reaktor gebaut, um die Bildung von Fulleren in Echtzeit zu beobachten. In einem Reaktor entsteht bei einer Temperatur von 1.000 Grad Celsius ein Corannulen-Radikal (C20H9). Dieses Molekül sieht aus wie eine Salatschüssel, als wäre es aus einem C60-Buckyball herausgeschnitten worden. Dieses Radikal ist hochreaktiv. Es reagiert mit Vinylacetylen (C4H4), wodurch sich eine Kohlenstoffschicht auf dem Rand der Schale ablagert.

„Durch mehrmaliges Wiederholen dieses Vorgangs würde das Molekül in die Endkappe einer Nanoröhre hineinwachsen. Dieses Phänomen konnten wir in Computersimulationen nachweisen“, erklärt Alexander Mebel, Professor für Chemie an der Florida International University und einer der Autoren des lernen. Doch das war nicht das einzige Ziel der Forscher: „Wir wollten zeigen, dass eine solche Reaktion physikalisch möglich ist“, ergänzt Ralf Kaiser.

Die Reaktion erzeugt verschiedene Isomere – Moleküle, die alle die gleiche Masse, aber leicht unterschiedliche Strukturen haben. Bei der Standard-Massenspektrometrie erzeugen alle diese Varianten das gleiche Signal. Das Ergebnis ist jedoch anders, wenn die Photoelektronen-Photoionen-Koinzidenzspektroskopie verwendet wird, die vom Team angewandte Methode. „Bei dieser Technik lässt der Aufbau der Messkurve Rückschlüsse auf jedes einzelne Isomer zu“, erklärt Patrick Hemberger.

Das Rätsel der klassischen fußballförmigen Moleküle lösen

„Im Universum gibt es einen wilden Dschungel aus Molekülen und chemischen Reaktionen – nicht alle lassen sich in den Signalen der Teleskope eindeutig zuordnen“, sagt Ralf Kaiser. Wir wissen bereits aus Modellen, dass sowohl Corannulen als auch Vinylacetylen im Universum existieren. Nun konnte nachgewiesen werden, dass diese Moleküle tatsächlich die Bausteine ​​von Fulleren bilden. «Deshalb ist das Experiment am PSI so wertvoll für uns.»

Aber die erfolgreiche Veröffentlichung in Naturkommunikation ist nicht das Ende der Geschichte. Die Forscher wollen weitere Experimente durchführen, um zu verstehen, wie sich im Universum die klassischen Buckyballs bilden, die fußballförmigen Fullerenmoleküle mit 60 Kohlenstoffatomen und die winzigen Nanoröhrchen mit noch mehr Atomen.