فولرن ها در طبیعت و در فضا

فولرن ها در طبیعت و در  فضا

فولرن ها(Fullerene) مولکول های کربنی هستند(آلوتروپ یا چند شکلی کربن) که بسیار بزرگ، پیچیده و بسیار مقاوم هستند. اتم‌های آن‌ها در ساختارهای کروی سه‌بعدی، با الگویی از شش ضلعی‌ها و پنج ضلعی‌های متناوب، به شکل توپ فوتبال (C60) یا یک توپ راگبی ( C70) ساخته شده‌اند.

فولرن ها، اگرچه اغلب با شیمی پیشرفته و فناوری نانو مرتبط هستند، اما به طور طبیعی هم در محیط های مختلف نیز یافت می شوند. وجود طبیعی آنها دیدگاهی در مورد مکانیسم های شکل گیری، ثبات و نقش های بالقوه آنها در فرآیندهای زمین شناسی و نجومی ارائه می دهد. در اینجا نگاهی داریم به جاهایی که فولرن ها در طبیعت کشف شده اند:

1. محیط های زمین شناسی:

• شونگیت(shungite): این سنگ منحصر به فرد غنی از کربن که در کارلیای روسیه یافت می شود، یکی از شناخته شده ترین منابع فولرن های طبیعی است. شونگیت حاوی انواع فولرن ها از جمله C60 و C70 به همراه سایر آلوتروپ های کربن است. منشا فولرن ها در شونگیت هنوز مورد بحث است، اما ممکن است از طریق تجزیه در اثر حرارت طبیعی مواد آلی یا در طی رویدادهای با دمای بالا شکل گرفته باشند.
• فولگوریت ها(fulgurite): لوله های شیشه ای هستند که هنگام برخورد صاعقه به زمین ایجاد می شوند. فولرن‌ها در فولگوریت‌ها یافت شده‌اند که نشان می‌دهد گرما و فشار شدید تولید شده توسط رعد و برق می‌تواند تشکیل آنها را افزایش دهد.
• دهانه های برخوردی: فولرن ها در دهانه های برخوردی مانند حوضه سادبری در کانادا شناسایی شده اند. حضور آنها ممکن است با تشکیل ساختارهای کربنی ناشی از شوک در طول برخورد شهاب سنگ مرتبط باشد. همچنین می توان آنها را در بدن ضربه ای ردیابی کرد.
• زغال سنگ و سنگ های رسوبی: فولرن ها در برخی از ذخایر زغال سنگ و سنگ های رسوبی یافت شده اند که نشان می دهد می توان آنها را در سازندهای زمین شناسی در دوره های طولانی حفظ کرد. آنها احتمالاً از تغییر حرارتی مواد آلی تشکیل شده اند.
• سنگ های آتشفشانی: برخی سنگ های آتشفشانی، به ویژه آنهایی که با کیمبرلیت ها (منبع الماس) مرتبط هستند، حاوی فولرن هستند.
• قیر و نفت خام: فولرن ها در برخی از نمونه های قیر و نفت خام شناسایی شده است. آنها ممکن است در طول بلوغ حرارتی مواد آلی در سنگ های منشا تشکیل شده باشند.
• دریچه های هیدروترمال در اعماق دریا: شواهدی از تشکیل فولرن در نزدیکی دریچه های گرمابی وجود دارد که با دماهای بالا و فعالیت ژئوشیمیایی مرتبط است.

2. محیط های فرازمینی:

• شهاب سنگ ها: فولرن ها برای اولین بار در طبیعت در شهاب سنگ آلنده، یک کندریت کربنی که در سال 1969 در مکزیک سقوط کرد، کشف شدند. از آن زمان، آنها در شهاب سنگ های دیگر یافت شده اند، که اغلب حاوی گازهای نجیب به دام افتاده مانند هلیوم و آرگون هستند. تصور می‌شود که منشأ فولرن‌ها در شهاب‌سنگ‌ها به دانه‌های غبار بین ستاره‌ای یا فرآیندهای درون منظومه شمسی اولیه مربوط باشد.
• محیط بین ستاره ای (ISM):  فولرن ها در فضای بین ستاره ای، به ویژه در سحابی های سیاره ای و سحابی های بازتابی شناسایی شده اند.
دنباله دارها: اگرچه تشخیص مستقیم چالش برانگیز است، اما گمانه زنی هایی وجود دارد که فولرن ها ممکن است در مواد دنباله دار وجود داشته باشند و به طور بالقوه در رساندن کربن به اجسام سیاره ای نقش داشته باشند.
• نمونه های ماه: مقادیر کمی از فولرن ها در نمونه های ماه که توسط ماموریت های آپولو بازگردانده شده اند، یافت شده است. منشا آنها احتمالاً به برخورد ریزشهاب‌سنگ یا کاشت باد خورشیدی مرتبط است.

3. سیستم های بیولوژیکی:

• میکروارگانیسم های خاک: برخی از مطالعات نشان می دهد که برخی از میکروارگانیسم های خاک ممکن است قادر به تولید فولرن به عنوان بخشی از فرآیندهای متابولیکی خود باشند، اگرچه این هنوز یک حوزه تحقیقات فعال است.
• ماده گیاهی: برخی تحقیقات وجود فولرن ها را در برخی از مواد گیاهی نشان داده اند، اگرچه منشاء و اهمیت این یافته ها به طور کامل شناخته نشده است. این می تواند به آلودگی محیط زیست یا تولید طبیعی مربوط باشد.

مکانیسم های تشکیل در طبیعت:

تشکیل فولرن ها در محیط های طبیعی احتمالاً از طریق مکانیسم های مختلفی بسته به شرایط خاص اتفاق می افتد:

• پیرولیز حرارتی: دمای بالا می تواند مولکول های آلی پیچیده را تجزیه کند و اتم های کربن را به ساختارهای فولرن بازآرایی کند. این ممکن است در تشکیل شونگیت، زغال‌زایی و در هنگام برخورد شهاب‌سنگ رخ دهد.
• فشرده سازی شوک: فشارهای شدید ناشی از برخورد صاعقه یا برخورد شهاب سنگ می تواند باعث تشکیل فولرن شود.
فرآیندهای مشابه رسوب بخار شیمیایی (CVD): در محیط‌های غنی از کربن، اتم‌های کربن یا مولکول‌های کوچک ممکن است روی یک کاتالیزور رسوب کرده و در فولرن‌ها جمع شوند. این ممکن است در سیستم های آتشفشانی یا دریچه های هیدروترمال رخ دهد.
• تخلیه قوس: در حالی که به طور معمول در سنتز آزمایشگاهی استفاده می شود، تخلیه طبیعی قوس (به عنوان مثال، رعد و برق) می تواند به تشکیل فولرن کمک کند.
• خودآرایی: تحت شرایط خاص، اتم های کربن یا خوشه های کوچک ممکن است به طور خود به خود در ساختارهای فولرن جمع شوند.

اهمیت فولرن های طبیعی:

مطالعه فولرن های طبیعی به چند دلیل مهم است:

• درک مکانیسم های تشکیل: مطالعه رویدادهای طبیعی به دانشمندان کمک می کند تا بفهمند چگونه فولرن ها می توانند تحت طیف وسیعی از شرایط، چه در زمین و چه در فضا، تشکیل شوند.
• ردیابی فرآیندهای زمین شناسی: فولرن ها می توانند به عنوان نشانگرهای زیستی عمل کنند و سرنخ هایی در مورد تاریخچه و تکامل سازندهای زمین شناسی ارائه دهند.
• اخترشیمی: حضور آنها در شهاب سنگ ها و فضای بین ستاره ای از این ایده حمایت می کند که فولرن ها در منظومه شمسی اولیه و رساندن کربن به اجسام سیاره ای نقش داشته اند.
• ژئوشیمی: فولرن ها می توانند با سایر عناصر و ترکیبات موجود در محیط تعامل داشته باشند و بر انتقال و سرنوشت آنها تأثیر بگذارند.
• منشا نانومواد: مطالعه فولرن های طبیعی می تواند الهام بخش رویکردهای جدیدی برای سنتز و کاربرد نانومواد باشد.

چالش های مطالعه فولرن های طبیعی:

• کمی فراوانی : فولرن ها اغلب در غلظت های بسیار کم در نمونه های طبیعی وجود دارند که تشخیص و شناسایی آنها را چالش برانگیز می کند.
• استخراج و خالص سازی: جداسازی فولرن ها از ماتریس های پیچیده زمین شناسی یا بیولوژیکی می تواند دشوار باشد.
• آلودگی: تمایز بین فولرن های طبیعی و آنهایی که ممکن است از طریق آلودگی وارد شده باشند، مهم است.
• تعیین منشا: تعیین منشاء دقیق و مکانیسم تشکیل فولرن ها در یک نمونه معین می تواند پیچیده باشد و نیاز به تجزیه و تحلیل دقیق دارد.

در نتیجه، در حالی که فولرن ها اغلب با فناوری پیشرفته مرتبط هستند، وجود طبیعی آنها بینش های ارزشمندی را در مورد شکل گیری، پایداری و نقش های بالقوه آنها در فرآیندهای زمین شناسی، نجومی و حتی بیولوژیکی ارائه می دهد. ادامه تحقیقات در این زمینه بدون شک اکتشافات جدید و هیجان انگیزی را آشکار خواهد کرد.

فولرن ها در فضا

پس از کشف این مولکول ها در سال 1985 در آزمایشگاه ( 11 سال بعد جایزه نوبل شیمی را برای سه کاشف خود دریافت کردند). از آن زمان، موارد زیادی از اثبات رصدی وجود آنها در فضا، به ویژه در ابرهای گازی اطراف ستارگان قدیمی و در حال مرگ به اندازه خورشید، به نام سحابی های سیاره ای، وجود داشته است که در اواخر عمرشان از لایه های بیرونی ستاره ها بیرون رانده شده اند.

از آنجایی که این مولکول‌ها بسیار پایدار هستند و از بین بردن آن‌ها دشوار است، تصور می‌شود که فولرن‌ها می‌توانند به عنوان قفس برای مولکول‌ها و اتم‌های دیگر عمل کنند، به طوری که می‌توانند مولکول‌های پیچیده‌ای را به زمین بیاورند که زمینه ای برای شروع حیات است. بنابراین، مطالعه آنها برای درک فرآیندهای فیزیکی اساسی که در سازماندهی مواد آلی در جهان نقش دارند، مهم است.

ردپای شیمیایی ناشناخته

طیف سنجی برای جستجو و شناسایی فولرن ها در فضا ضروری است. طیف سنجی به ما اجازه می دهد تا با تجزیه و تحلیل ردپای شیمیایی ساخته شده توسط اتم ها و مولکول ها بر روی نوری که از آنها به ما می رسد، مواد تشکیل دهنده جهان را مطالعه کنیم.

منشا جدیدی برای فولرن ها

به منظور شناسایی این نوارهای مرموز، تیم تحقیقاتی انتشار مادون قرمز سحابی سیاره ای Tc1 را باز تولید کرد. تجزیه و تحلیل نوارهای گسیلی وجود دانه های کربن هیدروژنه آمورف (HAC) را نشان داد. این ترکیبات کربن و هیدروژن در یک حالت بسیار نامنظم، بسیار فراوان در پوشش ستارگان در حال مرگ، می توانند عامل انتشار مادون قرمز این سحابی باشند.

برای تیم تحقیقاتی، وجود همان جسم HAC و فولرن‌ها از این نظریه حمایت می‌کند که فولرن‌ها می‌توانند در طی فرآیند تخریب دانه‌های غبار، به عنوان مثال، در اثر برهمکنش با تابش فرابنفش، که بسیار پرانرژی‌تر از نور مرئی است، تشکیل شده باشند.

با این نتیجه، دانشمندان راه را برای تحقیقات آینده بر اساس همکاری بین شیمی آزمایشگاهی و اخترفیزیک باز کردند. گومز مونوز نتیجه می گیرد: «کار ما به وضوح پتانسیل بزرگ علم و فناوری میان رشته ای را برای ایجاد پیشرفت های اساسی در اخترفیزیک و اخترشیمی نشان می دهد.

خلاصه:
فولرن ها، به ویژه C60 (باکمینسترفولرن) و C70، مولکول های جذابی هستند که در فضا وجود دارند. حضور آنها پیامدهای مهمی برای درک ما از شیمی بین ستاره ای و تشکیل مولکول های پیچیده در جهان دارد. در اینجا خلاصه ای از آنچه در مورد فولرن ها در فضا می دانیم آورده شده است:

کشف و شناسایی:

• نکات اولیه: دانشمندان بر اساس ویژگی های ناشناخته انتشار فروسرخ (IR) مشاهده شده در طیف برخی از اجرام نجومی، به وجود فولرن ها در فضا مشکوک شدند.
• تایید: در سال 2010، C60 به طور قطعی در سحابی سیاره ای Tc 1 با استفاده از تلسکوپ فضایی اسپیتزر شناسایی شد. این یک کشف برجسته بود. از آن زمان، C60 و C70 در محیط های مختلف شناسایی شده اند، از جمله:
• سحابی های سیاره ای: پوسته های گاز در حال انبساط که توسط ستاره های در حال مرگ به بیرون پرتاب می شوند. اینها اغلب محیط های غنی از کربن هستند.
• سحابی بازتابی: ابرهایی از غبار و گاز که نور ستاره های مجاور را منعکس می کنند.
• محیط بین ستاره ای (ISM): ماده پراکنده بین ستاره ها.
• دیسک های پیش سیاره ای: قرص های چرخان از گاز و غبار در اطراف ستارگان جوان که در آن سیارات در حال شکل گیری هستند.
• کهکشان ها: هم در کهکشان راه شیری خودمان و هم در کهکشان های دیگر.
• روش های تشخیص:
• طیف‌سنجی مادون قرمز: فولرن‌ها به دلیل حالت‌های ارتعاشی، ویژگی‌های جذب و انتشار IR مشخصه دارند. اینها برای شناسایی آنها استفاده می شود.
• طیف سنجی فرابنفش (UV): جذب اشعه ماوراء بنفش نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد، به ویژه برای مطالعه فولرن های یونیزه شده.
• طیف سنجی جرمی: در حالی که برای تشخیص مستقیم در محل در اجرام دور استفاده نمی شود، طیف سنجی جرمی شهاب سنگ ها (که می توانند حاوی فولرن باشند) سرنخ هایی در مورد شکل گیری و بقای آنها در فضا ارائه می دهد.

مکانیسم های تشکیل:

مکانیسم های دقیق تشکیل فولرن ها در فضا هنوز در حال بررسی است، اما چندین احتمال پیشنهاد شده است:

• مونتاژ پایین به بالا: این شامل ساخت تدریجی اتم های کربن یا خوشه های کربن کوچک در ساختارهای فولرن بزرگتر است. این فرآیند ممکن است توسط دماهای بالا و تشعشعات فرابنفش موجود در محیط های اخترفیزیکی خاص کمک شود.
• تکه تکه شدن از بالا به پایین: مواد کربن دار بزرگتر (به عنوان مثال، دانه های کربن آمورف) می توانند از طریق شوک، تابش یا سایر فرآیندهای پرانرژی به فولرن ها تجزیه شوند.
فرآیندهای مشابه رسوب بخار شیمیایی (CVD): در محیط‌های غنی از کربن، اتم‌های کربن یا مولکول‌های کوچک می‌توانند روی یک کاتالیزور (شاید یک دانه حاوی فلز) رسوب کرده و در فولرن‌ها جمع شوند.
• امواج شوک: امواج ضربه ای در فضا می توانند انرژی مورد نیاز برای تنظیم مجدد اتم های کربن در ساختارهای فولرن را فراهم کنند.
• پردازش فتوشیمیایی: تابش اشعه ماوراء بنفش از ستارگان می تواند منجر به واکنش های شیمیایی شود که منجر به تشکیل فولرن می شود.

اهمیت و پیامدها:

وجود فولرن ها در فضا چندین پیامد مهم دارد:

• شیمی بین ستاره ای: فولرن ها مولکول های پایداری هستند که می توانند در شرایط سخت فضا زنده بمانند. آنها ممکن است در شکل گیری مولکول های آلی پیچیده تر، از جمله مولکول های مربوط به منشاء حیات، نقش داشته باشند.
• بودجه کربن: فولرن ها مخزن قابل توجهی از کربن را در محیط بین ستاره ای نشان می دهند. شکل‌گیری و نابودی آن‌ها می‌تواند بر بودجه کربن کلی کهکشان‌ها تأثیر بگذارد.
• تکامل غبار: فولرن‌ها می‌توانند در دانه‌های غبار بین‌ستاره‌ای ادغام شوند و بر ویژگی‌های نوری آن‌ها تأثیر بگذارند و بر نحوه تعامل آنها با نور تأثیر بگذارند.
• تشکیل سیاره: فولرن های موجود در دیسک های پیش سیاره ای می توانند در سیارات و اجرام دیگر گنجانده شوند و به طور بالقوه کربن و عناصر دیگر را به دنیاهای جدید تحویل دهند.
• خاستگاه حیات: وجود فولرن ها در شهاب سنگ ها نشان می دهد که آنها می توانستند به زمین اولیه تحویل داده شوند، که به طور بالقوه در شیمی پری بیوتیک که منجر به پیدایش حیات شد، کمک می کند. آنها ممکن است به عنوان ظروف محافظ برای مولکول های دیگر عمل کرده باشند.
• ردیابی رویدادهای کیهانی: توزیع و فراوانی فولرن‌ها می‌تواند سرنخ‌هایی درباره تاریخچه و تکامل محیط‌هایی که در آن یافت می‌شوند ارائه دهد. به عنوان مثال، حضور آنها در سحابی های سیاره ای می تواند به ما در درک مراحل پایانی تکامل ستاره ها کمک کند.
• پتانسیل برای کاربردهای فضایی: فولرن ها دارای ویژگی های منحصر به فردی هستند که می توانند در کاربردهای فضایی مانند محافظت در برابر تشعشع، ذخیره انرژی و علم مواد مورد استفاده قرار گیرند.

چالش ها و تحقیقات آینده:

• مکانیسم های تشکیل: تحقیقات بیشتری برای درک کامل نحوه تشکیل فولرن ها در محیط های متنوع فضا مورد نیاز است.
• فرآیندهای تخریب: درک چگونگی تخریب فولرن ها توسط تشعشعات، برخوردها و سایر فرآیندها نیز مهم است.
• شیمی فولرن: مطالعه واکنش های شیمیایی که فولرن ها در آن شرکت می کنند برای درک نقش آنها در شیمی بین ستاره ای بسیار مهم است.
• جستجو برای فولرن های عامل دار: تشخیص فولرن ها با سایر اتم ها یا مولکول های متصل (فولرن های عامل دار) می تواند ارزشمند باشد.

سرچشمه ها:
https://phys.org/news/2024-03-mystery-fullerenes-space.html