很長時(shí)間以來，人們一直認(rèn)為，星際空間中應(yīng)該只有非常小的分子，也就是那些僅僅由幾個(gè)原子構(gòu)成的分子。

但到了20世紀(jì)80年代中期，當(dāng)天文學(xué)家在星際介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了漂浮著的復(fù)雜碳分子時(shí)，立刻引起了極大的關(guān)注。最著名的例子就包括了巴克敏斯特富勒烯，也叫巴克球，因其與巴克敏斯特·富勒的建筑作品相似而得名。

巴克球是由60或70個(gè)碳原子構(gòu)成的球體結(jié)構(gòu)（C60和C70），是目前已知在星際空間中出現(xiàn)的最大的分子?，F(xiàn)在已經(jīng)確定，C60和C70其實(shí)是星際介質(zhì)中相對(duì)常見的成分。

太空中的巴克球的藝術(shù)家概念圖。（圖／NASA, JPL-Caltech）

那么，接下來的問題便是，巴克球以及其他相對(duì)復(fù)雜的碳分子，究竟是如何在太空中形成的？

近日，在一篇發(fā)表在《物理化學(xué)雜志A》的論文中，一組研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)并不復(fù)雜的過程。他們將行星狀星云中塵埃顆粒的常見成分碳化硅暴露在了類似垂死恒星周圍的條件下，觀察到了碳納米管（一種由多層碳片組成的高度結(jié)構(gòu)化的棒狀分子）的自發(fā)形成。

  從碳化硅到碳納米管  

根據(jù)熱力學(xué)定律，在氫存在的情況下，富含碳的分子幾乎不可能形成，更不用說純碳分子了。但垂死的恒星周圍正是一個(gè)富含氫的環(huán)境，這些相對(duì)復(fù)雜的碳分子又是如何出現(xiàn)的？

新的研究結(jié)果提供了另一種思路：巴克球和碳納米管并不是由單個(gè)碳原子組裝而成，而是由石墨烯的結(jié)構(gòu)重新排列產(chǎn)生的，這些單層碳片會(huì)在受熱的碳化硅晶粒表面形成。

科學(xué)家使用了一臺(tái)被稱為透射電子顯微鏡的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它非常適合模擬行星狀星云的環(huán)境。它的20萬伏電子束可以探測到78皮米的物質(zhì)，差不多是一個(gè)水分子中兩個(gè)氫原子的距離，這讓它有可能看到單個(gè)原子。儀器在真空中運(yùn)行，這和星周環(huán)境中的壓強(qiáng)也非常相似。

團(tuán)隊(duì)相信，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確地復(fù)制了行星狀星云中預(yù)期的溫度和密度條件。幾年前，相同的實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了巴克球的“誕生”。

研究人員認(rèn)為，當(dāng)垂死的恒星制造的碳化硅塵埃受到高溫、沖擊波和高能粒子的沖擊，從表面“瀝出”硅，并留下碳時(shí)，可能會(huì)形成巴克球和碳納米管。這正是將市售的碳化硅樣品加熱到垂死或死亡恒星中的溫度時(shí)所觀察到的情況。

當(dāng)溫度接近1050攝氏度時(shí)，在晶粒表面會(huì)出現(xiàn)約1納米大小的半球結(jié)構(gòu)。在持續(xù)加熱的幾分鐘里，球狀的“萌芽”開始發(fā)展成棒狀結(jié)構(gòu)，包含幾個(gè)石墨烯層，其曲率和尺寸指向了管狀結(jié)構(gòu)。

所產(chǎn)生的納米管的長寬約為3到4納米，比巴克球更大。C60分子直徑為0.7納米，但是在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中形成的納米管結(jié)構(gòu)的尺寸是C60的幾倍，很容易超過1000個(gè)碳原子。最大的成像標(biāo)本由四層以上的石墨碳構(gòu)成。

這張示意圖表明，實(shí)驗(yàn)加熱使一個(gè)碳化硅顆粒擺脫了硅原子（綠），留下了碳原子（黑），這些碳原子組合成石墨烯片，并最終形成棒狀的碳納米管和球形的巴克球。（圖／Jacob Bernal, University of Arizona）

在加熱實(shí)驗(yàn)中，這些小管在脫離表面前晃動(dòng)，并被吸進(jìn)樣品周圍的真空中。這些實(shí)驗(yàn)?zāi)M表明，碳納米管與較小的富勒烯，可能在這樣的環(huán)境中生成后被注入星際介質(zhì)中。

  播撒碳分子  

這些發(fā)現(xiàn)支持這樣的觀點(diǎn)，垂死的恒星可能在星際介質(zhì)中播下納米管和其他各種復(fù)雜碳分子。眾所周知，碳納米管具有較高的抗輻射穩(wěn)定性，而富勒烯在充分屏蔽高能宇宙輻射的情況下能夠存在數(shù)百萬年。

這對(duì)天體生物學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，因?yàn)樗鼈兲峁┝艘环N集中碳的機(jī)制，隨后這些分子可以被運(yùn)送到行星系中。比如，如果一些分子在45億年前，在來到我們太陽系形成的地方的旅程中幸存下來，那么它們就有可能被保存在那些遺留的材料里。研究人員因此提出，富含碳的隕石，比如碳質(zhì)球粒隕石，也有可能包含這些結(jié)構(gòu)。

接下來的挑戰(zhàn)便在于，如何在這些隕石中找到納米管，因?yàn)殡E石顆粒的尺寸通常非常小，而且隕石是有機(jī)和無機(jī)材料的復(fù)雜混合體。

科學(xué)家特別提到了小行星貝努（101955號(hào)），那是一顆碳質(zhì)近地小行星。2020年10月，OSIRIS-REx任務(wù)從這顆小行星上采集到了一份樣本。目前，科學(xué)家正急切地等待著這份樣本被運(yùn)送回地球。

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