解开经典足球形分子的难题!

宇宙中的化学反应和分子组成一直是天文学和化学领域关注的焦点。过去，富勒烯及其衍生物在宇宙中的形成一直是个谜。富勒烯及其衍生物可能在宇宙中自然存在的想法已经被推测了很长一段时间。这些化合物是相当大的碳分子，具有类似足球、沙拉碗或纳米管的形状。最早是20世纪80年代在实验室里制造出来的。2010年，斯皮策红外太空望远镜在行星状星云Tc 1中发现了具有足球特征形状的 C ₆₀ 分子，称为巴基球。因此，它们是迄今为止发现的已知存在于太阳系以外的宇宙中的最大分子。然而，关于它们在宇宙中形成的过程仍然是个谜。

研究使用光学相位成像(PSI)和瑞士SLS同步辐射光源的真空紫外(VUV)光束线 展示了富勒烯分子形成的一个重要反应步骤。 通过使用标准质谱法和光电子光离子重合光谱方法，研究人员成功地监测到了不同的异构体，并揭示了这些分子的结构和性质。

研究小组试图通过切割富勒烯的测地圆顶，并用氢原子使边缘碳原子的悬垂键饱和来分离团簇。富勒烯片段属于弯曲(三维)多环芳烃(PAH)的一个扩展家族，其原型物种是最小的碗状环烯(C ₂₀ H ₁₀ )分子(图1)，当在凝聚相中对称排列时，这种纳米碗提供了在可变的复杂环境中支持的材料阵列，例如分子间电荷传输，这与基于堆叠碳质材料中π分子轨道紧密重叠的传统机制截然不同。

图1：三维碳质纳米结构的分子结构。最小的纳米碗，角环烯[1]，以及 C ₄₀ 纳米碗[2]被强调为巴克明斯特富勒烯（C ₆₀ ） [3]，橄榄球（ C ₇₀ ） [4]，以及端盖 （5，5） 扶手椅纳米管 [5]。 C ₄₀ 纳米碗碳是黑色的，其余的碳是灰色的，氢是白色的。

以苯并杂环烯(C ₂₄ H ₁₂ )为基准，我们进一步在硅中揭示了苯并环制机制可以扩展到五 苯 并杂环烯(C ₄₀ H ₂₀ )(图2)，其中包含C ₆₀ 碳含量的三分之二，然后依次环脱氢到C ₄₀ 纳米碗( C ₄₀ H ₁₀ ) ₃₆ 。反过来，后者呈现出深碗状几何形状，并具有与巴克敏斯特富勒烯相似的曲率。利用线性缩放耦合簇方法计算像 C ₄₀ H ₂₀ 这样大的分子的电子结构，为精确探索复杂分子的势能图开辟了一条以前不可用的途径，具有化学精度，可以获得亚稳态/产物、势垒和化学途径的能量的详细信息，补充实验数据。这条高温路线开辟了一条简单的、同分异构体选择性自下而上的途径，通过共振稳定的自由基中间体和燃烧火焰和行星状星云中的环环形成纳米碗，这可能作为巴克敏斯特富勒烯(C ₆₀ )的前体，从而改变我们对银河系中复杂碳纳米结构形成的概念。

图2：角环烯基-乙烯基乙炔反应的途径

研究结果表明，在1000摄氏度的反应堆中产生的一个环烯自由基可以与乙烯乙炔反应，逐渐沉积出类似沙拉碗的碳分子。多次重复这个过程后，分子可以生长成纳米管的端帽。 研究人员的实验结果为解决经典足球形状分子的难题提供了线索，并为进一步了解富勒烯及其衍生物在宇宙中的形成和演化提供了基础。

综上， 本研究通过展示富勒烯分子在实验条件下的反应过程，揭示了它们可能在宇宙中自然存在的形成途径。而关于这些分子在天体物理学、星际化学等领域的应用仍需要进一步探索和研究。

参考文献

 “Gas phase synthesis of the C40 nano bowl C40H10” by Lotefa B. Tuli, Shane J. Goettl, Andrew M. Turner, A. Hasan Howlader, Patrick Hemberger, Stanislaw F. Wnuk, Tianjian Guo, Alexander M. Mebel and Ralf I. Kaiser, 18 March 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-37058-y

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