Moleculaire striptease verklaart buckyballs in de ruimte

09 december 2014

Leidse onderzoekers zijn erin geslaagd in het lab te laten zien hoe moleculaire voetballen, ook wel buckyballs genoemd, in de ruimte kunnen ontstaan. De metingen zijn bijzonder, omdat een nieuwe chemie ten toon wordt gespreid: top-down, van groot naar klein, waarbij aromaten worden omgezet in interstellair grafeen en koolstofbollen. Publicatie in Astrophysical Journal Letters.

Antwoord op ontstaan complex molecuul

Buckyballs (C60 buckminsterfullereen) werden in 2010 in de ruimte ontdekt, bijna 15 jaar nadat de Nobelprijs was toegekend voor de ontdekking van dit voetbalmolecuul in het laboratorium. Daarmee werd het ook het grootste geïdentificeerde molecuul in de ruimte. Het was echter onduidelijk hoe zo’n complex molecuul in de ruimte kan ontstaan. Door de lage dichtheden ligt het niet voor de hand dat een dergelijk groot deeltje kan ontstaan in een reeks van kleine stapjes. Een antwoord op deze vraag is nu gevonden in het Laboratorium voor Astrofysica van de Leidse Sterrewacht.

Moleculen vangen in het lab

Sterren die aan het eind van hun leven komen, stoten grote hoeveelheden PAK’s uit, polycyclische aromatische koolwaterstoffen. Het zijn dezelfde deeltjes die op aarde een belangrijke bijdrage leveren aan de luchtverontreiniging. Een PAK heeft een vlak skelet van koolstofatomen met aan de randen waterstofatomen. Ze zijn overal in de ruimte zichtbaar. In Leiden is in de afgelopen drie jaar een nieuwe opstelling gebouwd, iPOP (instrument for Photodynamics of PAHs), waarmee zeer grote PAK’s in een moleculaire val gevangen kunnen worden.

Moleculaire striptease

De Leidse sterrenkundigen hebben de PAK’s bestraald en ontdekten dat een PAK zodra het in de spotlight staat, een moleculaire striptease uitvoert - het ontdoet zich stuk voor stuk van waterstofatomen, totdat er een naakt koolstofskelet overblijft. Dat is dan niets anders dan een vlokje grafeen.

Moleculaire fragmenten bekijken

Postdoc Dr. Junfeng Zhen, die samen met de promovendi Pablo Castellanos Nash en Daniel Paardekooper met deze opstelling werkte, licht toe: ‘Je neemt een grote PAK, C66H26, je tikt er een elektron uit en vangt het molecuul in een val. Dan bestraal je het met licht en vervolgens open je de val en kijk je met een gevoelige massaspectrometer welke fragmenten eruit komen. Dan blijkt dat alle stappen van het oorspronkelijk tot het volledig gestripte molecuul zichtbaar worden, naast nieuwe reactieproducten’.

Moleculaire voetballen

De onderzoeksleiders Xander Tielens en Harold Linnartz zijn verheugd dat zich onder de reactieproducten C60 bevindt. ‘De experimenten laten zien dat je uit grote PAK’s moleculaire voetballen kunt maken, en dit kan verklaren waarom we C60 in de ruimte kunnen zien. De experimenten tonen ook aan dat de complexiteit die we in de ruimte zien niet alleen verklaard hoeft te worden met het aan elkaar plakken van kleinere deeltjes. Het uiteenvallen van grote moleculen is net zo belangrijk’, zegt Tielens.

Mogelijke goudader aangeboord

Mogelijk hebben de onderzoekers een goudader aangeboord. De methode maakt het mogelijk om exotische moleculen te maken, kooien en bollen van koolstof en grafeenvlokken, die tot nu toe nooit geïsoleerd konden worden onderzocht. De ruimte is wellicht gevuld met dit soort exotische deeltjes. Inmiddels is ook C70, een molecuul dat eruitziet als een rugbybal, in het interstellaire medium gevonden en ook dit molecuul lijkt te ontstaan uit nog grotere PAK’s. Linnartz: ‘Het is nu wachten op de eerste detectie van interstellair grafeen’.