Diamant in het heelal?

Zij vertonen verschillende vormen en blijken afhankelijk van de grootte van de betreffende diamantachtige moleculen en van hun voorkomen als gas dan wel in ijs. Een extra aanwijzing dat het in de ruimte om diamantachtige deeltjes gaat, levert de bevinding dat er diamantkerntjes in micrometeorieten zijn aangetroffen. De afmeting van deze kerntjes komt ruwweg overeen met de grootte die op basis van de moleculaire spectra kan worden afgeleid. De onderzoekers publiceren hun resultaten in The Astrophysical Journal van 1 juni 2007.

Koolstofframes van de vier kleinste diamantoïde-moleculen. Adamantaan, helemaal links, is de kleinst mogelijke structuur. Het bestaat uit één eenheidscel van de diamantstructuur. Alle koolstofatomen zijn steeds gebonden aan vier andere atomen in een tetraedische structuur en afgesloten met waterstofatomen (hier niet getekend). Vanaf tetramantaan zijn verscheidene isomeren (structuurvarianten) mogelijk. Vergelijking van een interstellair absorptiespectrum met het gemiddelde laboratoriumspectrum van alle bestudeerde diamantoïden (A) en van een emissiespectrum met het gemiddelde spectrum van de kleinste twee tetraëdische diamantoïden (B). Uit berekeningen voor grotere moleculen blijkt dat de relatieve intensiteit van de twee banden in de spectra van tetraëdische diamantoïden verandert met de grootte van het diamantoïde-molecuul (C).

Diamantachtige moleculen of ‘diamantoïden’ bestaan uit een koolstofframe in de vorm van een klein stukje diamantrooster dat aan de buitenkant afgesloten is met waterstof. Het kleinste lid van de familie van diamantoïden is adamantaan, dat bestaat uit één eenheidscel van het diamantrooster. Het wordt industrieel geproduceerd voor toepassingen in plastics en geneesmiddelen. Grotere diamantoïden, waarbij telkens één adamantaan-eenheid wordt toegevoegd (diamantaan, triamantaan etc.), zijn moeilijk of niet te synthetiseren. 

Diamantoïden in de ruimte
Omdat deze diamantoïden erg stabiel zijn, werd in de jaren tachtig van de vorige eeuw gesuggereerd dat deze moleculen zouden kunnen voorkomen in interstellaire wolken. Daarin namen sterrenkundigen namelijk absorptie- en emissiebanden waar rond een golflengte van 3,5 micrometer, en rond die golflengte vertonen zich ook de spectra van diamantoïden. De absorptie- en emissiebanden, die respectievelijk ontstaan doordat deeltjes straling onderscheppen dan wel zelf straling uitzenden, hebben een heel verschillend profiel. Daarvoor bestaat geen goede verklaring. Vergelijking met interstellaire spectra was voornamelijk gebaseerd op spectra van diamant nanodeeltjes met een bepaalde gemiddelde grootte. De emissiebanden vertonen een goede overeenkomst met spectra van diamant nanodeeltjes met een gemiddelde afmeting van 50 nanometer of groter die op een oppervlak zijn gedeponeerd.

Spectra afhankelijk van afmeting en toestand moleculen
De onderzoekers hebben nu zeer gedetailleerde in het lab opgenomen infraroodspectra vergeleken met spectra bij twee soorten hemelobjecten: absorptiespectra van de interstellaire stofwolk W3/IRS 5 en emissiespectra van heel jonge sterren die worden omringd door stof en gas (HD 97048 en Elias 1). Het spectrum dat ontstaat door de spectra van alle in het lab bestudeerde moleculen op te tellen, vertoont een redelijke gelijkenis met de astronomische absorptiespectra. De emissiespectra vertonen een gesplitst bandprofiel, dat redelijk nagebootst kan worden door alleen de spectra van de hoogst symmetrische tetraëdische diamantoïde-moleculen op te tellen (figuur 2B). Een mogelijke verklaring voor de verschillende vormen van de spectra lijkt hem te zitten in de toestand en de afmetingen van de moleculen. Onderzoekers nemen aan dat de emissiespectra afkomstig zijn van moleculen in de gasfase en dat de absorptiespectra daarentegen afkomstig zijn van moleculen in interstellair ijs. De stabiliteit van gasvormige moleculen onder interstellaire omstandigheden hangt onder andere af van hun afmeting: hoe groter ze zijn, des te beter zijn ze in staat de energie van geabsorbeerde UV-fotonen zonder schade weer kwijt te raken en des te stabieler zijn ze dus. Waarschijnlijk zijn de gasvormige moleculen die in emissie worden waargenomen gemiddeld dus groter dan de moleculen die in absorptie worden waargenomen. Naarmate de moleculen groter worden, gaan hun spectra steeds sterker lijken op dat van een ‘oneindig groot diamantoïde-molecuul’, dat de pure octaëdische symmetrie van diamant zou bezitten en het dichtst benaderd wordt door een molecuul met tetraëdische symmetrie. 

De relatieve intensiteit van de twee banden in de spectra van de tetraëdrische diamantoïden is afhankelijk van de grootte van de moleculen, omdat ze bepaald wordt door de verhouding tussen CH- en CH2- groepen in het molecuul. Berekeningen geven aan dat voor diamantoïde-moleculen van zo’n 150 koolstofatomen, de relatieve intensiteit van de twee banden die van de interstellaire emissiespectra benadert. De grootte van interstellaire diamantoïde-moleculen zou daarmee op zo’n 2 nanometer komen. Dit is veel kleiner dan de grootte van 50 nanometer of meer, die afgeleid wordt uit vergelijkingen met spectra van diamant nanodeeltjes. Omdat het vooralsnog niet bekend is hoe interstellaire diamantoïden chemisch gevormd worden, is het moeilijk een schatting te maken van hun gemiddelde afmetingen. Interessant genoeg zijn de diamantkernen die gevonden worden in micrometeorieten (kleine stofdeeltjes die dagelijks in grote aantallen vanuit de ruimte op de aarde neerdalen) typisch enkele nanometers in doorsnede.