Evidências sugerem que nanotubos de carbono, minúsculos tubos que consistem em carbono puro, podem ser forjados nos envelopes de poeira e gás que cercam estrelas moribundas. As descobertas propõem um mecanismo simples, mas elegante, para a formação e sobrevivência de moléculas complexas de carbono no espaço.
Em meados da década de 1980, a descoberta de moléculas complexas de carbono à deriva através do meio interestelar atraiu atenção significativa, com possivelmente os exemplos mais famosos sendo Buckminsterfullerene, ou "buckyballs" - esferas consistindo de 60 ou 70 átomos de carbono. No entanto, os cientistas têm lutado para entender como essas moléculas podem se formar no espaço.

Em um artigo aceito para publicação no Journal of Physical Chemistry A , pesquisadores da Universidade do Arizona sugerem uma explicação surpreendentemente simples. Depois de expor carboneto de silício – um ingrediente comum de grãos de poeira em nebulosas planetárias – a condições semelhantes às encontradas em torno de estrelas moribundas, os pesquisadores observaram a formação espontânea de nanotubos de carbono, que são moléculas semelhantes a hastes altamente estruturadas que consistem em várias camadas de folhas de carbono. . As descobertas foram apresentadas em 16 de junho na 240ª Reunião da Sociedade Astronômica Americana em Pasadena, Califórnia.

Liderado pelo pesquisador do UArizona, Jacob Bernal, o trabalho se baseia em pesquisas publicadas em 2019, quando o grupo mostrou que poderia criar buckyballs usando a mesma configuração experimental. O trabalho sugere que buckyballs e nanotubos de carbono podem se formar quando a poeira de carboneto de silício feita por estrelas moribundas é atingida por altas temperaturas, ondas de choque e partículas de alta energia, lixiviando silício da superfície e deixando carbono para trás.

As descobertas apoiam a ideia de que estrelas moribundas podem semear o meio interestelar com nanotubos e possivelmente outras moléculas complexas de carbono. Os resultados têm implicações para a astrobiologia, pois fornecem um mecanismo de concentração de carbono que pode ser transportado para sistemas planetários.

“Sabemos por observações infravermelhas que buckyballs povoam o meio interestelar”, disse Bernal, pesquisador associado de pós-doutorado no Laboratório Lunar e Planetário do UArizona. “O grande problema tem sido explicar como essas moléculas de carbono massivas e complexas poderiam se formar em um ambiente saturado com hidrogênio, que é o que você normalmente tem em torno de uma estrela moribunda”.

A formação de moléculas ricas em carbono, muito menos de espécies contendo carbono puro, na presença de hidrogênio é virtualmente impossível devido às leis termodinâmicas. As novas descobertas do estudo oferecem um cenário alternativo:em vez de montar átomos de carbono individuais, buckyballs e nanotubos podem resultar de simplesmente reorganizar a estrutura do grafeno – folhas de carbono de camada única que são conhecidas por se formar na superfície de grãos de carboneto de silício aquecidos.

Isso é exatamente o que Bernal e seus coautores observaram quando aqueceram amostras de carboneto de silício comercialmente disponíveis a temperaturas que ocorrem em estrelas moribundas ou mortas e as criaram. À medida que a temperatura se aproximava de 1.050 graus Celsius, pequenas estruturas hemisféricas com o tamanho aproximado de cerca de 1 nanômetro foram observadas na superfície do grão. Em poucos minutos de aquecimento contínuo, os botões esféricos começaram a crescer em estruturas semelhantes a hastes, contendo várias camadas de grafeno com curvatura e dimensões indicando uma forma tubular. Os nanotúbulos resultantes variaram de cerca de 3 a 4 nanômetros de comprimento e largura, maiores que buckyballs. Os maiores espécimes fotografados eram compostos por mais de quatro camadas de carbono grafítico. Durante o experimento de aquecimento, observou-se que os tubos se agitavam antes de brotarem da superfície e serem sugados pelo vácuo que cercava a amostra.

"Ficamos surpresos por podermos fazer essas estruturas extraordinárias", disse Bernal. "Quimicamente, nossos nanotubos são muito simples, mas são extremamente bonitos."

Nomeados por sua semelhança com obras arquitetônicas de Richard Buckminster Fuller, os fulerenos são as maiores moléculas atualmente conhecidas por ocorrer no espaço interestelar, que por décadas se acreditava ser desprovido de moléculas contendo mais do que alguns átomos, 10 no máximo. Está agora bem estabelecido que os fulerenos C60 e C70, que contêm 60 ou 70 átomos de carbono, respectivamente, são ingredientes comuns do meio interestelar.

Um dos primeiros de seu tipo no mundo, o microscópio eletrônico de transmissão alojado no Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility no UArizona é especialmente adequado para simular o ambiente da nebulosa planetária. Seu feixe de elétrons de 200.000 volts pode sondar a matéria até 78 picômetros – a distância de dois átomos de hidrogênio em uma molécula de água – tornando possível ver átomos individuais. O instrumento opera em um vácuo semelhante à pressão – ou falta dela – que se acredita existir em ambientes circunstelares.

Enquanto uma molécula esférica de C60 mede 0,7 nanômetros de diâmetro, as estruturas de nanotubos formadas neste experimento mediam várias vezes o tamanho de C60, excedendo facilmente 1.000 átomos de carbono. Os autores do estudo estão confiantes de que seus experimentos replicaram com precisão as condições de temperatura e densidade que seriam esperadas em uma nebulosa planetária, disse a coautora Lucy Ziurys, professora de astronomia, química e bioquímica do UArizona Regents.

"Sabemos que a matéria-prima está lá e sabemos que as condições estão muito próximas do que você veria perto do envelope de uma estrela moribunda", disse ela. "Há ondas de choque que passam pelo envelope, então as condições de temperatura e pressão demonstraram existir no espaço. Também vemos buckyballs nessas nebulosas planetárias - em outras palavras, vemos o início e os produtos finais que você esperaria em nossos experimentos."

Essas simulações experimentais sugerem que os nanotubos de carbono, juntamente com os fulerenos menores, são posteriormente injetados no meio interestelar. Os nanotubos de carbono são conhecidos por terem alta estabilidade contra a radiação, e os fulerenos são capazes de sobreviver por milhões de anos quando adequadamente protegidos da radiação cósmica de alta energia. Meteoritos ricos em carbono, como condritos carbonáceos, também podem conter essas estruturas, propõem os pesquisadores.

De acordo com o coautor do estudo, Tom Zega, professor do Laboratório Lunar e Planetário do UArizona, o desafio é encontrar nanotubos nesses meteoritos, devido aos tamanhos de grãos muito pequenos e porque os meteoritos são uma mistura complexa de materiais orgânicos e inorgânicos, alguns com tamanhos semelhantes aos dos nanotubos.

"No entanto, nossos experimentos sugerem que esses materiais podem ter se formado no espaço interestelar", disse Zega. “Se eles sobreviveram à jornada para nossa parte local da galáxia onde nosso sistema solar se formou há cerca de 4,5 bilhões de anos, eles poderiam ser preservados dentro do material que sobrou”.

Zega disse que um excelente exemplo desse material remanescente é Bennu, um asteroide carbonáceo próximo da Terra do qual a missão OSIRIS-REx da NASA, liderada pelo UArizona, coletou uma amostra em outubro de 2020. Os cientistas aguardam ansiosamente a chegada dessa amostra, programada para 2023.

“O asteroide Bennu pode ter preservado esses materiais, então é possível que encontremos nanotubos neles”, disse Zega. + Explorar mais

Os mistérios por trás das buckyballs interestelares finalmente foram respondidos