超新星爆炸提供了最初的碳源。
半个世纪以来，天体物理学家和有机化学家一直在探索苯环（C6H6）的来源问题。苯环是由6个碳原子和6个氢原子构成的优雅六边形分子。天体物理学家认为，苯环可能是多环芳烃（PAHs）的基本组成部分，而PAHs是垂死的氟碳恒星爆炸时形成的最基本物质。最终，PAHs构成了原始碳源。矛盾的是，PAHs也存在黑暗面。炼油厂工业过程和内燃机内部工作会释放PAHs，并滚雪球般形成煤烟等有毒空气污染物。
第一个苯环是如何在早期宇宙恒星中形成的？内燃机如何触发化学反应使苯环变成烟尘颗粒污染物？科学家们一直在苦苦找寻这些问题的答案。phys.org网站当地时间6月9日报道，美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）、夏威夷大学马诺阿分校（UHM）和佛罗里达国际大学（FIU）的研究人员用实验室方法，首次完成了自由基的实时测量。这种在宇宙条件下反应的不稳定粒子，能促使碳原子和氢原子结合成原始苯环。研究人员表示，该成果既是人类理解宇宙随碳化合物增长而演化的关键，还能帮助汽车工业制造更清洁的内燃机。相关论文刊登在《科学进展》杂志中。
自由基丙炔基（C3H3?）由于容易失去一个电子而极度活跃。研究人员认为，两种游离丙炔基的重组，产生了第一个苯环。新研究首次证实了天体化学和燃烧条件下的“自由基丙炔基自反应”。研究人员用微型高温化学反应堆（“热喷嘴”），模拟了内燃机内部的高压高温环境以及土卫六富含碳氢化合物的大气，并观察了同分异构体的形成。
热喷嘴技术已有10年左右的应用历史。该技术依靠真空紫外（VUV）光谱，可以检测出单个同分异构体。研究人员借助热喷嘴技术捕获了丙炔基自由基的自反应——这种反应的速度非常快，用时只需几微秒。而在自反应完成后，更大的多环芳烃生成，并产生烟尘。
研究人员认为，本次研究取得的成果为新一代清洁内燃机的研发奠定了基础。有分析人士指出，提高汽油发动机的效率仍然非常重要，因为电动汽车彻底取代燃油汽车至少还需25年。此外，为飞机和混动汽车的汽油动力部件配备更清洁的内燃机，有助于减少二氧化碳的排放。LBNL研究人员Musahid Ahmed说：“我们将继续拓展用于研究PAHs的方法，并破解富勒烯C60的奥秘——它背后蕴藏着自然界对称性的重要线索。”
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编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《科学进展》
期刊编号：2375-2548
原文链接：
https://phys.org/news/2021-06-key-carbon-free-cars-stars.html
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