鑽石舞台

很長時間以來，人們一直認為，星際空間中應該只有非常小的分子，也就是那些僅僅由幾個原子構成的分子。

但到了20世紀80年代中期，當天文學家在星際介質中發現了漂浮着的複雜碳分子時，立刻引起了極大的關注。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·富勒的建築作品相似而得名。

巴克球是由60或70個碳原子構成的球體結構（C60和C70），是目前已知在星際空間中出現的最大的分子。現在已經確定，C60和C70其實是星際介質中相對常見的成分。

太空中的巴克球的藝術家概念圖。（圖／NASA, JPL-Caltech）

那麼，接下來的問題便是，巴克球以及其他相對複雜的碳分子，究竟是如何在太空中形成的？

近日，在一篇發表在《物理化學雜誌A》的論文中，一組研究團隊提出了一個並不複雜的過程。他們將行星狀星雲中塵埃顆粒的常見成分碳化硅暴露在了類似垂死恆星周圍的條件下，觀察到了碳納米管（一種由多層碳片組成的高度結構化的棒狀分子）的自發形成。

從碳化硅到碳納米管

根據熱力學定律，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。但垂死的恆星周圍正是一個富含氫的環境，這些相對複雜的碳分子又是如何出現的？

新的研究結果提供了另一種思路：巴克球和碳納米管並不是由單個碳原子組裝而成，而是由石墨烯的結構重新排列產生的，這些單層碳片會在受熱的碳化硅晶粒表面形成。

科學家使用了一台被稱為透射電子顯微鏡的實驗設備，它非常適合模擬行星狀星雲的環境。它的20萬伏電子束可以探測到78皮米的物質，差不多是一個水分子中兩個氫原子的距離，這讓它有可能看到單個原子。儀器在真空中運行，這和星周環境中的壓強也非常相似。

團隊相信，實驗準確地複製了行星狀星雲中預期的溫度和密度條件。幾年前，相同的實驗裝置已經發現了巴克球的「誕生」。

研究人員認為，當垂死的恆星製造的碳化硅塵埃受到高溫、衝擊波和高能粒子的衝擊，從表面「瀝出」硅，並留下碳時，可能會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恆星中的溫度時所觀察到的情況。

當溫度接近1050攝氏度時，在晶粒表面會出現約1納米大小的半球結構。在持續加熱的幾分鐘裡，球狀的「萌芽」開始發展成棒狀結構，包含幾個石墨烯層，其曲率和尺寸指向了管狀結構。

所產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，但是在這個實驗中形成的納米管結構的尺寸是C60的幾倍，很容易超過1000個碳原子。最大的成像標本由四層以上的石墨碳構成。

這張示意圖表明，實驗加熱使一個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，並最終形成棒狀的碳納米管和球形的巴克球。（圖／Jacob Bernal, University of Arizona）

在加熱實驗中，這些小管在脫離表面前晃動，並被吸進樣品周圍的真空中。這些實驗模擬表明，碳納米管與較小的富勒烯，可能在這樣的環境中生成後被注入星際介質中。

播撒碳分子

這些發現支持這樣的觀點，垂死的恆星可能在星際介質中播下納米管和其他各種複雜碳分子。眾所周知，碳納米管具有較高的抗輻射穩定性，而富勒烯在充分屏蔽高能宇宙輻射的情況下能夠存在數百萬年。

這對天體生物學產生了深遠的影響，因為它們提供了一種集中碳的機制，隨後這些分子可以被運送到行星系中。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倖存下來，那麼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，比如碳質球粒隕石，也有可能包含這些結構。

接下來的挑戰便在於，如何在這些隕石中找到納米管，因為隕石顆粒的尺寸通常非常小，而且隕石是有機和無機材料的複雜混合體。

科學家特別提到了小行星貝努（101955號），那是一顆碳質近地小行星。2020年10月，OSIRIS-REx任務從這顆小行星上採集到了一份樣本。目前，科學家正急切地等待着這份樣本被運送回地球。

或許我們在不久的將來就能從中找到令人驚喜的發現。