Astroquímica
Resolviendo un enigma del carbono en el cosmos
La vida, tal como la entendemos, se basa en la química del carbono. Éste es además un elemento bastante común en el universo, por lo que conocer a fondo bajo qué formas existe en el cosmos es vital para comprender mejor su papel como ingrediente fundamental de la vida en la Tierra y probablemente en otros mundos.
Durante más de 20 años, ciertas características de los espectros infrarrojos de muchos objetos astronómicos han sido interpretadas como originadas en moléculas bidimensionales (planas) de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs, por sus siglas en inglés), los cuales se cree son también la fuente de materia orgánica de nuestro planeta.
Más recientemente, la detección de moléculas tales como los fullerenos (moléculas de formas esféricas, compuestas de carbono en su totalidad, entre las que figura la conocida popularmente como buckybola, o C60) ha puesto de manifiesto una presencia más variopinta y complicada del carbono en el espacio. Las relaciones o conexiones de evolución química entre estas diferentes moléculas nunca han estado muy claras. Esta situación, sin embargo, puede que cambie drásticamente a partir de ahora, gracias a una nueva investigación realizada por Héctor Álvaro Galué, de la Universidad de Ámsterdam en los Países Bajos, con quien los redactores de NCYT de Amazings en Noticiasdelaciencia.com hemos estado en contacto con motivo de la elaboración de este artículo. En su estudio, Galué ha abordado el enigma de las distintas formas del carbono en el cosmos y sus patrones espectrales desde una perspectiva nueva, y sus resultados parecen aportar la tan largamente buscada explicación a este enigma.
Desde los años 80 del pasado siglo, las bandas infrarrojas no identificadas (o bandas UIR, por sus siglas en inglés), bastante habituales en los datos espectrales, han sido atribuidas a la fluorescencia infrarroja de moléculas PAHs (caracterizadas por sus estructuras planas). Las PAHs contienen alrededor del 10 por ciento del carbono total presente en el cosmos, y se piensa que fueron la fuente primaria de materia orgánica en la Tierra primitiva.
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Las partículas energéticas o radiación ultravioleta en el espacio interestelar inducen la aparición de variedades de carbono y rehibridación de las mismas dentro del conjunto de las estructuras de carbono planas. (Imagen: Gráficos de moléculas: Universidad de Ámsterdam. Fondo: © NASA, ESA, M Robberto (Space Telescope Science Institute/ESA), Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team)
Las bandas UIR observadas en las longitudes de onda de los 3,3, 6,2, 7,7, 8,6, 11,2, y 12,7 micrómetros exhiben variaciones de sus patrones espectrales que se explican habitualmente atribuyéndolas a mezclas interestelares de PAHs presentes en diferentes estados químicos dependiendo del entorno espacial. Aunque esta hipótesis consigue explicar la apariencia general de las bandas UIR, ciertos patrones espectrales no se explican del todo con emisiones de PAHs. Esta inconsistencia aparentemente pequeña ha polarizado las opiniones sobre el origen de las variaciones espectrales en dichas bandas, y ha dado lugar a explicaciones radicalmente diferentes basadas en la emisión de partículas orgánicas amorfas. Aunado a esto, la detección de fullerenos ha oscurecido más la imagen del carbono en sus distintas formas y a su vez ha dificultado más los intentos de reconciliar lo observado con la hipótesis de mezclas interestelares de PAHs.
Analizando simulaciones químico-cuánticas espectrales de distintas nanoestructuras de carbono y en combinación con datos astronómicos reales, Galué ha determinado que los patrones espectrales no explicados están de hecho producidos por estructuras de carbono tridimensionales que se asemejan a cuencos y conos.
Galué está familiarizado con esta clase de estructuras ya que en el 2011 realizó experimentos espectroscópicos infrarrojos de éstas junto al profesor Jos Oomens (ahora en la Universidad Radboud en Nijmegen, Países Bajos). Dichos experimentos se efectuaron particularmente con el coranuleno, llamado también a veces circuleno y que es una molécula de carbono que combina las propiedades de estructura plana típicas de los PAHs con las de otras de forma curvada, que las asemejan en algunos aspectos a los fullerenos. Dicho de modo más simple, el coranuleno tiene forma de cuenco y sus características espectrales muestran diferencias importantes con respecto a las de las moléculas planas de PAHs. Este hecho llevó a Galué a plantearse que estas diferencias espectrales podrían estar relacionadas con las variaciones en los patrones espectrales observadas en las bandas infrarrojas UIR.
El siguiente paso fue determinar cómo estructuras planas de PAHs se transforman en estructuras curvadas. Para esto, Galué estudio un proceso observado previamente en donde láminas extendidas de grafeno se curvan al grado de convertirse en fullerenos. Posteriormente, modeló estructuras moleculares de carbono en etapas intermedias como productos de esta misma transformación química, conocida como fullerenización. Después realizó simulaciones espectrales de estas estructuras y usó los espectros para analizar las variaciones espectrales inexplicadas (como el corrimiento al azul de la banda ubicada en los 6,2 micrómetros) de datos espectroscópicos reales obtenidos por el satélite astronómico ISO, de la Agencia Espacial Europea.
Las comparaciones espectrales revelaron que la fullerenización induce naturalmente un corrimiento espectral hacia el azul de la banda interestelar de los 6,2 micrómetros, algo que hasta el momento no tenia explicación. Esto implica que la fullerenización es un proceso común en el medio interestelar y que, en consecuencia, supone la existencia de formas estructurales intermedias o curvadas con formas tridimensionales parecidas a cuencos y conos.
Información adicional
Durante más de 20 años, ciertas características de los espectros infrarrojos de muchos objetos astronómicos han sido interpretadas como originadas en moléculas bidimensionales (planas) de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs, por sus siglas en inglés), los cuales se cree son también la fuente de materia orgánica de nuestro planeta.
Más recientemente, la detección de moléculas tales como los fullerenos (moléculas de formas esféricas, compuestas de carbono en su totalidad, entre las que figura la conocida popularmente como buckybola, o C60) ha puesto de manifiesto una presencia más variopinta y complicada del carbono en el espacio. Las relaciones o conexiones de evolución química entre estas diferentes moléculas nunca han estado muy claras. Esta situación, sin embargo, puede que cambie drásticamente a partir de ahora, gracias a una nueva investigación realizada por Héctor Álvaro Galué, de la Universidad de Ámsterdam en los Países Bajos, con quien los redactores de NCYT de Amazings en Noticiasdelaciencia.com hemos estado en contacto con motivo de la elaboración de este artículo. En su estudio, Galué ha abordado el enigma de las distintas formas del carbono en el cosmos y sus patrones espectrales desde una perspectiva nueva, y sus resultados parecen aportar la tan largamente buscada explicación a este enigma.
Desde los años 80 del pasado siglo, las bandas infrarrojas no identificadas (o bandas UIR, por sus siglas en inglés), bastante habituales en los datos espectrales, han sido atribuidas a la fluorescencia infrarroja de moléculas PAHs (caracterizadas por sus estructuras planas). Las PAHs contienen alrededor del 10 por ciento del carbono total presente en el cosmos, y se piensa que fueron la fuente primaria de materia orgánica en la Tierra primitiva.
Las partículas energéticas o radiación ultravioleta en el espacio interestelar inducen la aparición de variedades de carbono y rehibridación de las mismas dentro del conjunto de las estructuras de carbono planas. (Imagen: Gráficos de moléculas: Universidad de Ámsterdam. Fondo: © NASA, ESA, M Robberto (Space Telescope Science Institute/ESA), Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team)
Las bandas UIR observadas en las longitudes de onda de los 3,3, 6,2, 7,7, 8,6, 11,2, y 12,7 micrómetros exhiben variaciones de sus patrones espectrales que se explican habitualmente atribuyéndolas a mezclas interestelares de PAHs presentes en diferentes estados químicos dependiendo del entorno espacial. Aunque esta hipótesis consigue explicar la apariencia general de las bandas UIR, ciertos patrones espectrales no se explican del todo con emisiones de PAHs. Esta inconsistencia aparentemente pequeña ha polarizado las opiniones sobre el origen de las variaciones espectrales en dichas bandas, y ha dado lugar a explicaciones radicalmente diferentes basadas en la emisión de partículas orgánicas amorfas. Aunado a esto, la detección de fullerenos ha oscurecido más la imagen del carbono en sus distintas formas y a su vez ha dificultado más los intentos de reconciliar lo observado con la hipótesis de mezclas interestelares de PAHs.
Analizando simulaciones químico-cuánticas espectrales de distintas nanoestructuras de carbono y en combinación con datos astronómicos reales, Galué ha determinado que los patrones espectrales no explicados están de hecho producidos por estructuras de carbono tridimensionales que se asemejan a cuencos y conos.
El siguiente paso fue determinar cómo estructuras planas de PAHs se transforman en estructuras curvadas. Para esto, Galué estudio un proceso observado previamente en donde láminas extendidas de grafeno se curvan al grado de convertirse en fullerenos. Posteriormente, modeló estructuras moleculares de carbono en etapas intermedias como productos de esta misma transformación química, conocida como fullerenización. Después realizó simulaciones espectrales de estas estructuras y usó los espectros para analizar las variaciones espectrales inexplicadas (como el corrimiento al azul de la banda ubicada en los 6,2 micrómetros) de datos espectroscópicos reales obtenidos por el satélite astronómico ISO, de la Agencia Espacial Europea.
Las comparaciones espectrales revelaron que la fullerenización induce naturalmente un corrimiento espectral hacia el azul de la banda interestelar de los 6,2 micrómetros, algo que hasta el momento no tenia explicación. Esto implica que la fullerenización es un proceso común en el medio interestelar y que, en consecuencia, supone la existencia de formas estructurales intermedias o curvadas con formas tridimensionales parecidas a cuencos y conos.
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