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23 de Octubre de 2019
Química

¿Cómo se forman esos balones de carbono en el espacio?

Se han observado en el espacio las huellas espectroscópicas de los buckminsterfullerenos, pero sigue habiendo dudas acerca de cómo se forman allí esas grandes moléculas. Unos experimentos de laboratorio han descubierto un posible mecanismo.

El escudo solar del Telescopio Espacial James Webb. Este instrumento contribuirá a esclarecer las dudas que subsisten sobre la formación de fullerenos en el espacio. Un experimento de laboratorio ha ofrecido un nuevo y convincente mecanismo [Chris Gunn - Centro de Vuelos Espaciales Goddard, de la NASA].

Un tenaz misterio de la espectroscopía astronómica es el de las bandas interestelares difusas, una familia de rasgos de absorción en los espectros de la luz de los astros (la supresión de determinadas frecuencias en ellos). La absorción la efectúa el medio interestelar de la Vía Láctea y de otras galaxias. La primera vez que se las observó fue hace casi cien años. Hasta 2015 no se conoció el origen de algunas de ellas; cuatro fueron atribuidas entonces al catión de buckminsterfullereno (C60+; a esta molécula, sin esa carga eléctrica, se la suele llamar simplemente fullereno, aunque hay otras formas de fullereno; o más coloquialmente, buckybola o buckybalón, por su parecido con el de fútbol).

Los fullerenos C60 y C70 son, con mucha diferencia, las mayores moléculas que se hayan detectado en el espacio, lo que mueve a preguntarse cómo es posible que especies tan grandes se formen en condiciones tan enrarecidas. Se ha conjeturado que se forman en los flujos que se desprenden de estrellas viejas, ricas en carbono, como las de la rama asintótica de las gigantes; las temperaturas y densidades de esos flujos promueven una química parecida a la de la combustión, lo cual podría conducir a la formación de hollín, que podría a su vez contener estructuras del tipo del fullereno. Ahora, J. J. Bernal, de la Universidad de Arizona en Tucson, y sus colaboradores han propuesto en The Astrophysical Journal Letters una ruta muy diferente hacia su formación.

Los átomos de carbono se disponen en el buckminsterfullereno en la forma de un balón de fútbol. Se trata de una estructura molecular muy estable, pero también difícil de construir. Se ha hecho fullereno en experimentos de laboratorio pensados para investigar la química de las estrellas ricas en carbono: se vaporiza carbono en la forma de grafito dentro de un flujo denso de helio, con lo que se forman cúmulos de carbono. El descubrimiento de que el fullereno era uno de los productos de reacción les valió el Premio Nobel de Química a Harry Kroto, Richard Smalley y Robert Curl en 1996.

Sin embargo, el intervalo de temperaturas requerido para crear fullerenos de esta forma es uno muy determinado; fuera de él, no se crean fullerenos, sino hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH). Estas moléculas son secciones bidimensionales de una sola capa de grafito (una lámina de grafeno) decorada con átomos de hidrógeno. Experimentos posteriores mostraron que los PAH que contienen más de 60 átomos de carbono se convierten en fullerenos cuando se los expone a suficiente radiación ultravioleta.

La primera fuente astronómica en la que se detectaron fullerenos fue la estrella Tc 1. De manera desconcertante, la emisión asociada al fullereno venía de un lugar alejado de la estrella y de sus fotones ultravioletas, mientras que las emisiones de los PAH procedían de zonas más cercanas a la estrella. Según los resultados ya conocidos de experimentos de laboratorio, era justo lo contrario de lo que debería pasar si el fullereno se formase en esa fuente a partir de los PAH. Entonces, ¿cómo se explican los lugares donde se producían las emisiones?

Bernal y sus colaboradores comunican ahora que el fullereno se forma a partir del carburo de silicio (SiC), del que se ha conjeturado que es el primer material carbonáceo que se condensa procedente de estrellas viejas, ricas en carbono. Los autores calentaron rápidamente granos de la forma cristalina de SiC, cuya mayor concentración se da en los meteoritos, y los irradiaron con iones de xenón para imitar el calentamiento causado por las ondas de choque que se producen alrededor de las estrellas viejas.

Tomaron imágenes de las superficies de las muestras con un microscopio electrónico de transmisión hasta una escala nanométrica. Observaron que el material de los granos se había alterado notablemente como resultado de ese tratamiento. Los átomos de silicio se habían percolado hasta las capas exteriores de los granos y dejaron detrás algo que se parecía a láminas de átomos de carbono dispuestos como una malla de alambre de gallinero: es decir, láminas de grafeno.

J. J. Bernal y sus colaboradores calentaron granos de SiC y los bombardearon con iones. Observaron que las capas exteriores del SiC se habían transformado en láminas de grafeno y que en la superficie se habían formado estructuras con un diámetro similar al del buckminsterfullereno. Se descubre así un proceso por el que se podría generar fullereno en las emanaciones de viejas estrellas [<em>Nature</em>].La transformación de las capas exteriores de SiC en láminas de grafeno a altas temperaturas ya se había comunicado antes para una forma de SiC diferente de la estudiada por Bernal y su grupo. Sin embargo, estos observaron además la formación de estructuras hemisféricas con unos diámetros similares a los del fullereno. Su trabajo ofrece, pues, un nuevo mecanismo convincente de la formación de fullereno en estrellas cuya composición ha evolucionado.

Bernal y sus colaboradores han informado de otro indicio que apoya la idea de que en esas estrellas los granos de SiC se calientan rápidamente y son bombardeados con iones. Han identificado un fragmento del meteorito de Murchison (un meteorito muy estudiado, rico en compuestos orgánicos) donde la razón entre los isótopos carbono 12 y carbono 13 es la típica de un material procedente de una estrella vieja rica en carbono. Esto indica que el fragmento no se produjo durante o después de la formación del meteorito, sino que es polvo estelar que se originó en una estrella vieja. El fragmento tiene un núcleo de SiC rodeado por láminas de grafeno. No obstante, análisis previos de polvo estelar que contiene grafeno encontraron solo pruebas de núcleos de carburo de titanio, no de SiC. Esto suscita la pregunta de hasta qué punto son comunes los núcleos de SiC en el polvo estelar que contiene grafeno.

El calentamiento rápido de los granos de SiC en la presencia de hidrógeno puede conducir a la formación de PAH. Los hallazgos de Bernal y su grupo dan a entender, por lo tanto, que la conversión térmica de SiC en láminas de grafeno en las estrellas evolucionadas podría ser el primer paso de la formación, en general, de moléculas grandes que contienen carbono: la exposición posterior (o simultánea) del grafeno al hidrógeno atómico produce PAH, mientras que el bombardeo iónico produce fullereno. O, alternativamente, las moléculas de PAH quizá sean intermedios moléculares en la formación del hollín de carbono, que puede entonces descomponerse por obra de la radiación ultravioleta para hacer de nuevo PAH.

Se desconoce la eficiencia del mecanismo de formación de fullereno descubierto por Bernal y sus compañeros, lo que suscita la pregunta de cuántos granos de SiC se necesitan para explicar la concentración observada de moléculas de fullereno en el espacio. Si no hay suficientes granos, se requerirá un mecanismo adicional que explique la concentración de fullereno. Y si hay demasiados granos de SiC, ¿qué pasa con el «exceso» de moléculas de fullereno producidas, habida cuenta de que es bien sabido lo difícil que resulta degradarlas? Para entender el proceso y cuantificar su importancia en las estrellas viejas, se necesitan más experimentos y una modelización detallada de la formación a partir de los granos de SiC de fullereno y de otras moléculas grandes que contienen carbono.

El lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb en 2021 proporcionará nuevas y muy potentes herramientas para estudiar las estrellas viejas, entre otros objetos astronómicos. Las observaciones de fuentes que contienen fullereno, como Tc 1, podrán acotar las regiones donde los granos de SiC, fullereno y PAH están presentes y ofrecer más pistas de cómo se formaron realmente las grandes moléculas. Gracias a nuevos análisis y modelizaciones de las rutas que participan en ello, los astrónomos podrán finalmente saber a qué otras misteriosas moléculas se deben las bandas interestelares difusas. 

Alessandra Candian / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group. 

Referencia: «Formation of Interstellar C60 from Silicon Carbide Circumstellar Grains», de J. J. Bernal et al. en The Astrophysical Journal Letters, volumen 883, número 2.

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