Nová studie zjistila, že v extrémně chladných podmínkách na největším Saturnově měsíci Titanu by mohla být přepsána pravidla chemie, jak je chápeme na Zemi. Vědci zjistili, že voda a látky podobné oleji mohou tvořit stabilní směsi, což je překvapivý objev, který otevírá možnost komplexních molekulárních interakcí v celé naší sluneční soustavě.
Podvracení základního chemického pravidla
Zavedené pravidlo „podobné se rozpouští jako“ říká, že směsi obsahující polární a nepolární látky se obvykle oddělují do samostatných vrstev. Polární molekuly, jako je voda nebo kyanovodík, mají nerovnoměrné rozložení elektrického náboje a vytvářejí oblasti malých kladných a záporných nábojů, které se k sobě přitahují. Nepolární sloučeniny, jako jsou oleje a uhlovodíky, mají symetrické uspořádání nábojů a se sousedními nepolárními molekulami interagují jen slabě.
Výzkum z NASA Jet Propulsion Laboratory a Chalmers University of Technology ve Švédsku však ukázal, že kyanovodík, polární molekula, tvoří stabilní kokrystaly s metanem a ethanem, dvěma extrémně nepolárními uhlovodíky, na povrchu Titanu. Tato neočekávaná interakce je v rozporu s konvenčním chemickým chápáním. “To je v rozporu s pravidlem v chemii, ‘podobné se rozpouští jako’, což v podstatě znamená, že kombinování těchto polárních a nepolárních látek by nemělo být možné,” vysvětlil hlavní autor studie Martin Rahm, odborný asistent chemie.
Obnovení podmínek na Titanu
Tým se snažil porozumět osudu kyanovodíku produkovaného v atmosféře Titanu, která obsahuje vysoké hladiny dusíku, metanu a ethanu. Tyto sloučeniny cirkulují místním povětrnostním systémem, podobně jako koloběh vody na Zemi. Aby vědci tuto otázku prozkoumali, znovu vytvořili podmínky na povrchu Titanu kombinací směsí metanu, etanu a kyanovodíku při teplotách asi -297 stupňů Fahrenheita (-183 stupňů Celsia). Spektroskopická analýza – metoda studia chemikálií pozorováním jejich interakce se světlem – odhalila překvapivý výsledek: tyto zdánlivě nesourodé sloučeniny interagovaly mnohem těsněji, než bylo dříve pozorováno.
Analýza ukázala, že molekuly nepolárního metanu a etanu byly vloženy do mezer v pevné krystalické struktuře kyanovodíku, což je proces známý jako interkalace. Vznikl tak neobvyklý kokrystal obsahující obě skupiny molekul.
Od experimentu k teorii
Aby vysvětlili svá pozorování, tým NASA spolupracoval s výzkumníky z Chalmers University of Technology na modelování stovek potenciálních struktur kokrystalů, přičemž každá z nich posuzovala stabilitu v chladném prostředí Titanu.
“Naše výpočty nejen předpověděly, že neočekávané směsi byly za podmínek Titanu stabilní, ale také předpověděly světelná spektra, která dobře odpovídala měřením NASA,” vysvětlil Rahm.
Prostřednictvím teoretické analýzy vědci identifikovali několik stabilních krystalických forem, což naznačuje, že mezimolekulární síly v pevném kyanovodíku jsou tímto smícháním neočekávaně zesíleny.
Význam a budoucí výzkum
Tento objev má hluboké důsledky pro pochopení chemických procesů na Titanu a potenciálně v celé sluneční soustavě. Schopnost zdánlivě neslučitelných molekul interagovat a vytvářet stabilní struktury otevírá vzrušující možnosti pro komplexní molekulární interakce, možná i tvorbu nových organických sloučenin.
Kombinace experimentálních a teoretických výsledků je obzvláště působivá, řekla Athena Coustenis, planetární vědkyně z observatoře Paříž-Meudon, a těší se na to, jak budoucí data, včetně dat ze sondy Dragonfly NASA (plánovaný přílet k Titanu v roce 2034), přidají výsledky studie.
Objev, že voda a látky podobné oleji se mohou za určitých podmínek mísit, zásadně mění naše chápání chemických interakcí v extrémních prostředích naší sluneční soustavy.
