Comment les «footballènes» se forment dans l’espace

On soupçonne depuis longtemps que les fullerènes et leurs dérivés peuvent se former dans l’espace. Les fullerènes sont de grandes molécules de carbone en forme de ballons de football, de cuvettes ou de tubes. Avec le soutien de la Source de Lumière Suisse SLS du PSI, une équipe internationale de recherche vient de montrer comment se déroule cette réaction. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue spécialisée Nature Communications.

«We are stardust, we are golden. We are billion-year-old carbon.» Dans leur chanson «Woodstock», Crosby, Stills, Nash and Young chantaient ce dont nous sommes composés en fin de compte, nous autres êtres humains: de poussière d’étoiles. Ceux qui s’y connaissent quelque peu en astronomie peuvent confirmer les paroles du groupe culte américain: les planètes et nous, les humains, sommes bel et bien constitués de poussière de supernovas brûlées et de composés de carbone vieux de plusieurs milliards d’années. L’espace est un gigantesque réacteur et comprendre les réactions qui s’y déroulent permet de comprendre la naissance et l’évolution de l’univers, et donc d’où nous venons.

La formation dans l’espace de fullerènes et de leurs dérivés constituait à ce jour une énigme. Les fullerènes sont des molécules de carbone en forme de ballons de football, de cuvettes ou de tubes, qui ont été produits 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. Cela fait d’elles les plus grandes molécules détectées à ce jour dans l’espace en dehors de notre système solaire.

Mais comment s’y forment-elles? Une équipe de 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 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 pouvoir observer en direct la formation de fullerènes. Un radical corannulényle est produit dans un réacteur chauffé à 1000º C. Cette molécule ressemble à un saladier, comme si l’on avait coupé un footballène de C60. Ce radical est extrêmement réactif, ce qui lui permet de 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 et 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; il s’agit de molécules qui ont toutes la même masse, mais des structures légèrement différentes. Avec la spectrométrie de masse habituelle, toutes ces variantes fournissent le même signal. Les choses sont différentes avec la spectroscopie de coïncidence photoélectron-photoion que l’équipe a utilisée ici. «Là, la structure de la courbe de mesure permet de tirer des conclusions sur chaque isomère», explique Patrick Hemberger.

Sur la piste de l’énigme des footballènes classiques

«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.

Texte: Bernd Müller

A propos du PSI

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Université d’Hawaï à Mānoa, Honolulu, HI 96822, Etats-Unis

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Prof. Alexander M. Mebel
Faculté de chimie et de biochimie

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Téléphone: +1 305-348-1495, e-mail: mebela@fiu.edu


 

Publication originale

Gas Phase Synthesis of the C40 Nano Bowl C₄₀H₁₀

Lotefa B. Tuli, Shane J. Goettl, Andrew M. Turner, A. Hasan Howlader, Patrick Hemberger, Stanislaw F. Wnuk, Tianjian Guo, Alexander M. Mebel, Ralf I. Kaiser

Nature Communications, 18.3.2023

DOI: 10.1038/s41467-023-37058-y