普林斯顿大学的化学家正在研究具有轰动一时的电影的所有要素——星际化学、百万年时间尺度和高能激光——正在扩大我们对宇宙构成的理解。
在美国国家科学基金会为期三年的资助的支持下，由普林斯顿大学的玛丽莎·韦克曼(Marissa Weichman) 领导的研究人员将帮助识别在太空中形成的新的类巴基球分子，这种分子“驱动行星和恒星的化学反应以及星系的形成”，韦克曼说。化学助理教授。
“这些都是关于我们从哪里来以及我们生活在什么样的宇宙中的重大而基本的问题，”她说。这些分子是“生命的前生命起源，是生命开始分子的种子。这就是我们关注他们的原因。”
她的实验室设计了一种设备，可以测量称为富勒烯的特定种类分子的光吸收。这些测地空心“碳笼”是迄今为止在太空中发现的最大的分子群，它们已经重新定义了我们对星际环境中分子复杂性的假设。
魏希曼希望将这些假设提升到一个新的水平。
五年前，作为一名博士后，Weichman 在《科学》杂志上发表了一篇 关于最简单的 C 60 富勒烯（俗称巴基球）的论文。现在，以巴基球的特征光谱为基准，魏克曼将瞄准三种相似的分子：更大的富勒烯；杂富勒烯，其中碳原子已被其他元素取代；和内富勒烯，其特征是较小的分子被困在笼内。
“星际空间是一个非常奇怪的环境，”韦奇曼说。 “是冷的。真是低压啊。给定量的空间内分子并不多，而确实存在的分子则不断受到紫外线的照射和宇宙粒子的轰击。所以，那里发生的化学反应与地球上发生的完全不同。”
她解释说，银河系中超新星喷出的粒子所产生的持续辐射轰击，为分子创造了一个充满敌意的环境。 “富勒烯恰好非常稳定且不易碎裂，”她说。 “它们或多或少可以在太空中永远存在。了解这些物种对于天体化学来说非常重要，而光谱学是我们检测特定分子存在的方式。”
下一代设备
新设计的仪器将产生富勒烯的长波红外吸收光谱。一旦投入使用，研究人员将把他们的结果与太空红外观测台的数据进行比较，包括NASA用来窥探光学望远镜无法看到的特征的斯皮策太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜。除了定位已知形式的C60和C70等富勒烯外，Weichman的团队还将尝试澄清太空望远镜观察到的许多光谱特征的身份。
“这在天体化学中仍然是一个重大的研究问题，” Weichman说。“有所有这些完全无法解决的吸收和发射线。它们不是buckyballs，那么它们是什么？”
富勒烯由于其数十个原子，在室温下占据着大量的转动和振动量子态。这导致了所谓的光谱拥挤，这阻碍了研究人员完全分辨这些分子的光谱。
研究生Negar Baradaran有了一个答案。她设计并组装了实验室的低温室，将每个样品冷却到接近绝对零度的几度，类似于外太空的温度。在这些温度下，原子振动变得迟缓，使他们的团队能够获得更好的分辨率，并更清晰地辨别富勒烯的量子态，Baradaran解释道。
这项研究的基础资金来自普林斯顿大学2022年的研究创新基金，该基金包括来自大学捐赠的支持。天体化学标志着Weichman实验室的一个新方向，但与她的团队在开发探索分子在量子力学上的行为的新工具的现有专业知识相辅相成。
如今，他们定制的光谱仪几乎已经准备就绪。在NSF的资助下，研究人员将很快开始筛选富勒烯。
“Weichman说：“测量C60是困难的。”“但是要超越C60将会有很多的发展。”
Charczun补充说：“天文学家使用那些壮观的太空望远镜来收集数据，但通常这些数据相当神秘。这些并不是简单的系统来研究。这就是为什么提供尖端、高质量的参考数据很重要。这是我们希望使用最新、最好的技术实现的。”
这个项目，“富勒烯的精密光谱学：朝着解决天体物质复杂性”，已获得国家科学基金会天文科学部的资助，并得到了研究创新基金的基础资金支持。
