The role of linear and spheroïdal carbon molecules in interstellar grain formation

School of Chemistry and Molecular Sciences, University of Sussex, Brighton, BN1 2QJ, G.B.

Abstract

The recent discovery that a uniquely stable, spheroidal, carbon molecule consisting of 60 atoms, C 60 Buckminsterfullerene, forms spontaneously when carbon vapour nucleates has opened up a new and exciting perspective on the chemical and physical properties of carbon. The observations, shed new light on the detailed mechanism of the carbon clustering process itself and appear to have particularly important implications as far as carbon particle formation is concerned in such varied scenarios as combustion chemistry and circumstellar dust formation. The new perspective appears to offer the possibility of an understanding of many hitherto unexplained aspects of the behaviour of solid and fluid forms of condensed carbon. The discoveries were made during laboratory experiments aimed at an understanding of the relationships between carbon chain molecules and macroscopic carbon grains in circumstellar shells and interstellar space. The results suggest that in addition to the chains and grains, the C60 molecule, probably in the form of the ion C60+ in the less shielded regions, is ubiquitously present and perhaps responsible for some of the interstellar spectroscopic features such as the some of the Diffuse Interstellar Bands. Further study of small carbon particles which form in the gas phase has resulted in the discovery that they have quasi-icosahedral spiral shell structures. It seems highly likely that related species which include hydrogen are responsible for some of the Unidentified Infrared Bands. The rôle that C60, C60 + and icospiral carbonaceous particles play in the interstellar medium should soon be accessible to verification by a combination of laboratory experiment and astronomical spectroscopy.

Résumé

La découverte récente de la formation spontanée d'une molécule stable, sphéroïdale, constituée de 60 atomes de carbone, C60, le Buckminsterfullerene, par nucléation de la vapeur de carbone a ouvert une perspective nouvelle et passionnante sur les propriétés chimiques et physiques du carbone. Les observations ont éclairé sous un angle nouveau le mécanisme du processus même de constitution des amas et ont manifestement des implications importantes en ce qui concerne la formation de particules solides de carbone dans des situations aussi variées que la chimie de la combustion et la formation de poussières interstellaires. Cette nouvelle façon de voir offre une possibilité de comprendre de nombreux aspects jusqu'ici inexpliqués du comportement du carbone condensé sous forme solide ou fluide. Les découvertes ont été faites au cours d'expériences de laboratoire dont le but était de comprendre les relations entre les molécules en chaines carbonées et les grains macroscopiques de carbone dans les couches circumstellaires et l'espace interstellaire. Les résultats suggèrent qu'en plus des chaines et des grains, la molécule C60, probablement sous la forme de l'ion C+60 dans les régions les moins protégées, est partout présente et probablement responsable de certains des caractères spectroscopiques interstellaires tels que les "bandes interstellaires diffuses", l'absorption UV à 2170 Å, ou peut être quelques unes des "bandes infrarouges non identifiées". D'autres études sur les petites particules de carbone qui se forment dans la phase gazeuse ont conduit à la découverte de leur structure en forme de couches enroulées quasi-icosaédriques. Il semble extrèmement probable que des particules de même espèce incluant de l'hydrogène sont responsables des "bandes infrarouges non identifiées". Le rôle joué par C60, C+60 et les particules enroulées en couches dans le milieu interstellaire devrait bientôt pouvoir être contrôlé par des expériences de laboratoire et de la spectroscopie astronomique combinées.