Un nuevo estudio ha revelado que, en las condiciones extremadamente frías de Titán, la luna más grande de Saturno, las reglas de la química tal como las entendemos en la Tierra pueden reescribirse. Los científicos han descubierto que el agua y sustancias similares al petróleo pueden formar mezclas estables, un descubrimiento sorprendente que abre posibilidades para interacciones moleculares complejas en todo nuestro sistema solar.
Desafiando una regla química fundamental
El principio establecido de que “lo similar se disuelve” dicta que las mezclas que contienen sustancias polares y no polares generalmente se separan en capas distintas. Las moléculas polares, como el agua o el cianuro de hidrógeno, poseen una distribución desigual de carga eléctrica, creando áreas con ligeras cargas positivas y negativas que se atraen entre sí. Los compuestos no polares, como los aceites y los hidrocarburos, tienen disposiciones de carga simétricas e interactúan sólo débilmente con las moléculas no polares vecinas.
Sin embargo, una investigación del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia ha demostrado que el cianuro de hidrógeno, una molécula polar, forma cocristales estables con metano y etano, dos hidrocarburos extremadamente apolares, en la superficie de Titán. Esta interacción inesperada desafía la comprensión química convencional. “Esto contradice una regla en química, ‘lo similar se disuelve lo similar’, lo que básicamente significa que no debería ser posible combinar estas sustancias polares y no polares”, explicó el autor principal del estudio, Martin Rahm, profesor asociado de química.
Recreando condiciones en Titán
El equipo intentó comprender el destino del cianuro de hidrógeno producido en la atmósfera de Titán, que contiene altos niveles de nitrógeno, metano y etano. Estos compuestos circulan a través de un sistema climático localizado similar al ciclo del agua de la Tierra. Para investigar, los investigadores recrearon las condiciones de la superficie de Titán combinando mezclas de metano, etano y cianuro de hidrógeno a temperaturas de alrededor de -297 grados Fahrenheit (-183 grados Celsius). El análisis espectroscópico, un método para estudiar sustancias químicas mediante la observación de cómo interactúan con la luz, reveló un resultado sorprendente: estos compuestos aparentemente incompatibles interactuaban mucho más estrechamente de lo que se había observado anteriormente.
El análisis mostró que las moléculas de metano y etano no polares se encajaban en huecos dentro de la estructura cristalina sólida del cianuro de hidrógeno, un proceso conocido como intercalación. Esto creó un cocristal inusual que contenía ambos conjuntos de moléculas.
Del experimento a la teoría
Para explicar sus observaciones, el equipo de la NASA colaboró con investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers para modelar cientos de posibles estructuras cocristalinas, evaluando la estabilidad de cada una en las gélidas condiciones de Titán.
“Nuestros cálculos predijeron no sólo que las mezclas inesperadas son estables en las condiciones de Titán, sino también espectros de luz que coinciden bien con las mediciones de la NASA”, explicó Rahm.
Mediante análisis teóricos, los investigadores identificaron varias formas cristalinas estables, lo que sugiere que las fuerzas intermoleculares dentro del sólido de cianuro de hidrógeno se ven inesperadamente reforzadas por esta mezcla.
Importancia y exploración futura
Este descubrimiento tiene profundas implicaciones para comprender los procesos químicos en Titán y potencialmente en todo el sistema solar. La capacidad de moléculas aparentemente incompatibles para interactuar y formar estructuras estables plantea posibilidades interesantes para interacciones moleculares complejas, tal vez incluso la posibilidad de que se formen nuevos compuestos orgánicos.
Como observó Athena Coustenis, científica planetaria del Observatorio Paris-Meudon, la combinación de hallazgos experimentales y teóricos es particularmente impresionante, y está ansiosa por ver cómo los datos futuros, incluido el de la sonda Dragonfly de la NASA (programada para llegar a Titán en 2034), complementarán los hallazgos del estudio.
El descubrimiento de que el agua y sustancias similares al petróleo pueden mezclarse en condiciones específicas cambia drásticamente nuestra comprensión de las interacciones químicas en ambientes extremos dentro de nuestro sistema solar.
