Les fullerènes sont de grandes molécules de carbone en forme de ballon de football, de cuvettes ou de tubes. On soupçonnait que ces » footballènes » et leurs dérivés se forment dans l’espace. Avec le soutien de la Source de Lumière Suisse SLS de l’Institut Paul Scherrer, en Suisse, une équipe internationale a montré comment se déroule cette réaction. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Communications. L’article ci-après est tiré du texte rédigé par Bernd Müller de l’Institut Paul Scherrer.
«We are stardust, we are golden. We are billion-year-old carbon.» » Nous sommes nés de poussières d’étoile. Nous sommes dorés. Nous sommes du carbone vieux de milliards d’années. » Dans leur chanson «Woodstock», les chanteurs Crosby, Stills, Nash and Young rappelaient nous êtres humains sommes faits dde poussière d’étoiles.
Les astronomes et physiciens que nous sommes faits de poussière de supernovas brûlées et de composés de carbone vieux de plusieurs milliards d’années.
Les fullerènes et de leurs dérivés font partie de ces constructions très anciennes. Leur formation constituait depuis longtemps une énigme. Les fullerènes sont des molécules de carbone en forme de ballons de football, de cuvettes ou de tubes produites pour la première fois en laboratoire dans les années 1980. En 2010, le télescope spatial infrarouge Spitzer a découvert des molécules C60, qu’on appelle des «footballènes», dans la nébuleuse planétaire TC-1. Cette molécule est l’une des plus grandes molécules détectées à ce jour dans l’espace en dehors de notre système solaire. Des images peuvent être téléchargées sur https://www.psi.ch/fr/media/actualites-recherche/comment-les-footballenes-se-forment-dans-l-espace
Des chercheurs d’Honolulu (Etats-Unis), Miami (Etats-Unis) et de Tianjin (Chine) vient de retracer une importante étape de réaction dans la formation de ces molécules, avec le soutien actif de la ligne de faisceau ultraviolet sous vide de la Source de Lumière Suisse SLS. «Le Paul Scherrer Institut , PSI offre des possibilités d’expérimentation unique et c’est la raison pour laquelle nous avons choisi de coopérer avec Patrick Hemberger du PSI», explique Ralf Kaiser de l’Université d’Hawaï à Honolulu, chercheur international de premier plan dans ce domaine.
Un mini-réacteur pour fullerènes
Patrick Hemberger, scientifique à la ligne de faisceau VUV au PSI, a construit un mini-réacteur pour observer la formation de fullerènes. Un radical corannulényle est produit dans un réacteur chauffé à 1000º C. Ce radical en forme de cuvette, extrêmement réactif, peut réagir avec du vinylacétylène (C4H4) qui arrime une couche de carbone au bord de la cuvette. «Si l’on répétait ce processus un grand nombre de fois, la molécule se développerait pour devenir le bouchon d’extrémité d’un nanotube, explique Alexander Mebel, professeur de chimie à l’Université internationale de Floride, l’un des auteurs de l’étude. C’est ce que nous avons pu démontrer par des simulations informatiques.» Mais ce n’était pas le seul objectif des chercheurs. «Nous voulions montrer que ce type de réaction était possible», ajoute Ralf Kaiser.
Lors de la réaction, différents isomères apparaissent, des molécules qui ont toutes la même masse, mais des structures légèrement différentes. Avec la spectrométrie de masse toutes ces variantes fournissent le même signal. La spectroscopie de coïncidence photoélectron-photoion , plus précise, permet de tirer des conclusions sur chaque isomère.
«L’univers abrite un véritable zoo de molécules et de réactions, explique Ralf Kaiser. Elles ne sont pas toutes identifiables dans les signaux émis par le télescope.» Grâce à des modèles, on sait qu’il existe dans l’espace du corannulényle et du vinylacétylène. Or on vient de réussir à confirmer que ces molécules forment bel et bien des éléments constitutifs des fullerènes. «Voilà pourquoi l’expérience au PSI est si précieuse à nos yeux», souligne encore le chercheur.
Mais les recherches ne s’arrêtent pas avec cette publication réussie dans Nature Communications. Les chercheurs veulent mener d’autres expériences afin de comprendre comment se forment dans l’espace les footballènes de 60 atomes de carbone et les nanotubes avec encore plus d’atomes.
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