Un equipo internacional de científicos, (los profesores Ralf I. Kaiser, Alexander M. Mebel de la Universidad Internacional de Florida, y Alejandro Tielens del Observatorio Leiden de los Países Bajos) dirigidos por la Universidad de Hawai en Manoa, han descubierto una nueva ruta química para formar Hidrocarburos Aromáticos policíclicos (PAHs) - moléculas orgánicas complejas - tales como el naftaleno, fusionando anillos bencénicos en regiones ultrafrías del espacio interestelar.

formación de PAHs

Formación de PAHs en procesos de combustión en el espacio interestelar (Cortesía de la Universidad de Hawai en Manoa).



El equipo anunció sus hallazgos el 3 de enero en el ejemplar de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. La financiación para el estudio fue proporcionado por el Departamento de Energía, Ciencias de Energías Básicas de los Estados Unidos.

Estos hallazgos tiene implicaciones importantes no solo para reducir las emisiones de PAHs sino también los subproductos tóxicos procedentes de los motores de combustión interna, así como racionalizar las rutas sintéticas de una clase de moléculas orgánicas en el espacio interestelar asociadas con los orígenes de la vida.

En la Tierra, los PAHs están asociados a procesos de combustión incompletos y se pueden formar rápidamente a temperaturas elevadas en los motores de combustión de los automóviles y en el humo de los cigarrillos. Una vez liberados al medio ambiente, los PAHs pueden pasar a los pulmones por inhalación y están fuertemente implicados en la degradación de la salud humana debido particularmente a su alto potencial cancerígeno. Los PAHs también constituyen un serio contaminante de las aguas y de los ecosistemas marinos acumulándose en los tejidos grasos de los organismos vivos. Junto con los vegetales de hoja donde los PAHs se depositan fácilmente, han sido vinculados a la contaminación del suelo, intoxicación de alimentos, lesiones de hígado y crecimientos de tumorales.

Mientras que en la Tierra, los PAHs están clasificados como altamente tóxicos. Los PAHs han sido apodados como “la cuna de la vida” en el medio interestelar y son considerados como elementos clave en la evolución astrobiológica. A nivel molecular, se encontraron PAHs conteniendo grupos carbonilo e hidroxilo en extractos orgánicos del meteorito de Murchison y estructuras similares a membranas, las primeras indicaciones de estructuras tipo celular, las cuales constituyen un requisito para la vida. Los compuestos que son solubles en agua forman vesículas no solubles, generando moléculas que poseen componentes polares y no polares. Las gotículas huecas formadas por este lípido multicapa resultan esenciales para el origen de los procesos vitales puesto que proporcionan un medio en el que los PAHs pueden evolucionar mediante su aislamiento y protección del medio que les rodea.

Los científicos han estado investigando durante décadas la formación de los PAHs en llamas de combustión y en medios interestelares, pero los mecanismos de formación del PAH más simple, la molécula de naftaleno (C10H8), - constituyente de las bolas de naftalina - ha mantenido abierta la pregunta. Los libros de texto postulan que los mecanismos clásicos de reacción implican reacciones complejas seguidas de procesos de hidrogenación y secuencias de acetilación con secuencias importantes de “energías de activación”. Estos procesos únicamente pueden operar a altas temperaturas, del orden de 1000 Kelvin como en este caso, y como por ejemplo, en los procesos de combustión y en las expulsiones realizadas por estrellas ricas en carbono y nebulosas planetarias.

Sin embargo, recientemente, ha quedado muy claro que los PAHs interestelares son destruidos rápidamente mediante fotólisis, ondas de choque procedentes de explosiones de supernovas y rayos cósmicos energéticos. Las escalas de tiempo de su destrucción son mucho más cortas que las de inyección de materia nueva al medio interestelar procedente de grupos de Estrellas de Rama Asintótica Gigantes (AGB) y nebulosas planetarias ricas en carbono como las descendientes de estrellas AGB. Por lo tanto, la omnipresencia de PAHs en el medio interestelar implicaba una ruta anteriormente inexplicable de un crecimiento químico de los PAHs en el ambiente frío del medio interestelar a temperaturas inferiores a 10 K, donde los mecanismos de las reacciones clásicas de síntesis de PAHs no pueden funcionar, ya que las barreras de entrada (las clásicas energías de activación) no se pueden superar.

Para desenmarañar la formación de naftaleno como representante más sencillo de los PAHs, los químicos Dorian S.N. Parker, Fangtong Zhang, Seol Kim, y Ralf I. Kaiser de la Universidad de Hawai, realizaron en su laboratorio experimentos en fase gaseosa de haces moleculares, y demostraron que el naftaleno se puede formar como consecuencia de colisiones simples en reacciones exoenergéticas entre radicales fenilos y vinilacetilenos implicando van der Waals complejos y barreras subyacentes en los canales de entrada. Mediciones por espectrometría de masas y mediante el marcaje isotópico de los productos de reacción confirmaron que se producía naftaleno más un átomo de hidrógeno. Para sustentar los mecanismos implicados en la formación del naftaleno, los científicos teóricos (Alex Landera, Vadim V. Kislov y Alexander Mebel), de la Universidad Internacional de Florida, los combinaron con cálculos de computación. Estos cálculos también proporcionaron una distribución tridimensional de los electrones en los átomos y de este modo el nivel global de energía de una molécula, Los cálculos computacionales de Mebel mostraron que el naftaleno se puede formar mediante reacción en una sola colisión, entre el radical fenilo y el vinilacetileno. Y lo más importante, a pesar de que las temperaturas son extremadamente bajas, (10K) y los cálculos de computación indican que las reacciones no presentan ninguna barrera de entrada (energía de activación).

“Estos hallazgos desafían el conocimiento tradicional de que la formación de PAH únicamente tienen lugar a altas temperaturas como en los sistemas de combustión e implica que la química de bajas temperaturas puede iniciar la síntesis de los primeros PAH en el medio interestelar”, manifestó el coautor Tielens.

En el futuro, el equipo planea ampliar estos resultados para desentrañar la formación de rutas de PAHs más complejos como el fenantreno y el antraceno así como PAHs nitrogenados como el indol y la quinoleina. Este concepto también puede ser ampliado a PAHs con cadenas laterales orgánicas, ofreciendo así a los investigadores soluciones más cercanas al viejo rompecabezas de cómo los PAHs y sus derivados se pueden sintetizar tanto en llamas de combustión como en el frío espacio interestelar.

Fuente: Science Daily