Eine neue Studie hat ergeben, dass unter den extrem kalten Bedingungen auf Saturns größtem Mond Titan die Regeln der Chemie, wie wir sie auf der Erde verstehen, neu geschrieben werden können. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Wasser und ölähnliche Substanzen stabile Gemische bilden können – eine überraschende Entdeckung, die Möglichkeiten für komplexe molekulare Wechselwirkungen in unserem gesamten Sonnensystem eröffnet.
Eine grundlegende chemische Regel in Frage stellen
Das etablierte Prinzip „Gleiches löst Gleiches auf“ schreibt vor, dass sich Mischungen, die polare und unpolare Substanzen enthalten, im Allgemeinen in verschiedene Schichten aufteilen. Polare Moleküle wie Wasser oder Blausäure weisen eine ungleichmäßige Verteilung der elektrischen Ladung auf, wodurch Bereiche mit leichten positiven und negativen Ladungen entstehen, die sich gegenseitig anziehen. Unpolare Verbindungen wie Öle und Kohlenwasserstoffe haben symmetrische Ladungsanordnungen und interagieren nur schwach mit benachbarten unpolaren Molekülen.
Untersuchungen des Jet Propulsion Laboratory der NASA und der Technischen Universität Chalmers in Schweden haben jedoch gezeigt, dass Blausäure, ein polares Molekül, auf der Titanoberfläche stabile Cokristalle mit Methan und Ethan, zwei extrem unpolaren Kohlenwasserstoffen, bildet. Diese unerwartete Wechselwirkung widerspricht dem herkömmlichen chemischen Verständnis. „Dies widerspricht einer Regel in der Chemie: ‚Gleiches löst Gleiches auf‘, was im Grunde bedeutet, dass es nicht möglich sein sollte, diese polaren und unpolaren Substanzen zu kombinieren“, erklärte der leitende Studienautor Martin Rahm, außerordentlicher Professor für Chemie.
Wiederherstellung der Bedingungen auf Titan
Das Team wollte das Schicksal von Blausäure verstehen, die in der Titanatmosphäre entsteht, die hohe Mengen an Stickstoff, Methan und Ethan enthält. Diese Verbindungen durchlaufen ein lokales Wettersystem, das dem Wasserkreislauf der Erde ähnelt. Um dies zu untersuchen, stellten die Forscher die Oberflächenbedingungen von Titan nach, indem sie Mischungen aus Methan, Ethan und Blausäure bei Temperaturen um -297 Grad Fahrenheit (-183 Grad Celsius) kombinierten. Die spektroskopische Analyse – eine Methode zur Untersuchung von Chemikalien durch Beobachtung ihrer Wechselwirkung mit Licht – brachte ein überraschendes Ergebnis: Diese scheinbar inkompatiblen Verbindungen interagierten viel enger als zuvor beobachtet.
Die Analyse zeigte, dass Moleküle von unpolarem Methan und Ethan in Lücken in der festen Kristallstruktur von Blausäure eindrangen – ein Prozess, der als Interkalation bekannt ist. Dadurch entstand ein ungewöhnlicher Co-Kristall, der beide Molekülsätze enthielt.
Vom Experiment zur Theorie
Um ihre Beobachtungen zu erklären, arbeitete das NASA-Team mit Forschern der Chalmers University of Technology zusammen, um Hunderte potenzieller Co-Kristallstrukturen zu modellieren und jede einzelne auf ihre Stabilität unter den kalten Bedingungen von Titan zu prüfen.
„Unsere Berechnungen haben nicht nur vorhergesagt, dass die unerwarteten Mischungen unter Titans Bedingungen stabil sind, sondern auch Lichtspektren, die gut mit den Messungen der NASA übereinstimmen“, erklärte Rahm.
Durch theoretische Analysen identifizierten die Forscher mehrere stabile Kristallformen, was darauf hindeutet, dass die intermolekularen Kräfte innerhalb des Cyanwasserstoff-Feststoffs durch diese Vermischung unerwartet verstärkt werden.
Bedeutung und zukünftige Erforschung
Diese Entdeckung hat tiefgreifende Auswirkungen auf das Verständnis chemischer Prozesse auf Titan und möglicherweise im gesamten Sonnensystem. Die Fähigkeit scheinbar inkompatibler Moleküle, miteinander zu interagieren und stabile Strukturen zu bilden, eröffnet spannende Möglichkeiten für komplexe molekulare Wechselwirkungen, vielleicht sogar das Potenzial für die Bildung neuartiger organischer Verbindungen.
Wie Athena Coustenis, eine Planetenforscherin am Paris-Meudon-Observatorium, feststellte, ist die Kombination aus experimentellen und theoretischen Erkenntnissen besonders beeindruckend, und sie ist gespannt, wie zukünftige Daten, einschließlich der Daten der NASA-Sonde Dragonfly (die 2034 auf Titan eintreffen soll), die Ergebnisse der Studie ergänzen werden.
Die Erkenntnis, dass sich Wasser und ölähnliche Substanzen unter bestimmten Bedingungen vermischen können, verändert unser Verständnis der chemischen Wechselwirkungen in extremen Umgebungen unseres Sonnensystems drastisch.
