Une nouvelle étude a révélé que, dans les conditions extrêmement froides qui règnent sur Titan, la plus grande lune de Saturne, les règles de la chimie telles que nous les comprenons sur Terre peuvent être réécrites. Les scientifiques ont découvert que l’eau et les substances semblables au pétrole peuvent former des mélanges stables – une découverte surprenante qui ouvre la possibilité d’interactions moléculaires complexes dans tout notre système solaire.
Remettre en question une règle chimique fondamentale
Le principe établi selon lequel « le semblable se dissout » dicte que les mélanges contenant des substances polaires et non polaires se séparent généralement en couches distinctes. Les molécules polaires, comme l’eau ou le cyanure d’hydrogène, possèdent une répartition inégale de la charge électrique, créant des zones avec de légères charges positives et négatives qui s’attirent. Les composés non polaires, tels que les huiles et les hydrocarbures, ont des dispositions de charges symétriques et n’interagissent que faiblement avec les molécules non polaires voisines.
Cependant, des recherches menées au Jet Propulsion Laboratory de la NASA et à l’Université de technologie Chalmers en Suède ont démontré que le cyanure d’hydrogène, une molécule polaire, forme des co-cristaux stables avec le méthane et l’éthane, deux hydrocarbures extrêmement apolaires, à la surface de Titan. Cette interaction inattendue défie la compréhension chimique conventionnelle. “Cela contredit une règle en chimie,” le semblable se dissout le semblable “, ce qui signifie fondamentalement qu’il ne devrait pas être possible de combiner ces substances polaires et non polaires”, a expliqué l’auteur principal de l’étude, Martin Rahm, professeur agrégé de chimie.
Recréer les conditions sur Titan
L’équipe a cherché à comprendre le devenir du cyanure d’hydrogène produit dans l’atmosphère de Titan, qui contient des niveaux élevés d’azote, de méthane et d’éthane. Ces composés traversent un système météorologique localisé similaire au cycle de l’eau de la Terre. Pour enquêter, les chercheurs ont recréé les conditions de surface de Titan en combinant des mélanges de méthane, d’éthane et de cyanure d’hydrogène à des températures autour de -297 degrés Fahrenheit (-183 degrés Celsius). L’analyse spectroscopique – une méthode d’étude des produits chimiques en observant comment ils interagissent avec la lumière – a révélé un résultat surprenant : ces composés apparemment incompatibles interagissaient beaucoup plus étroitement qu’on ne l’avait observé auparavant.
L’analyse a montré que les molécules de méthane et d’éthane non polaires se sont insérées dans des interstices au sein de la structure cristalline solide du cyanure d’hydrogène, un processus connu sous le nom d’intercalation. Cela a créé un co-cristal inhabituel contenant les deux ensembles de molécules.
De l’expérience à la théorie
Pour expliquer leurs observations, l’équipe de la NASA a collaboré avec des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers pour modéliser des centaines de structures cocristallines potentielles, en évaluant chacune pour leur stabilité dans les conditions glaciales de Titan.
“Nos calculs prédisent non seulement que les mélanges inattendus sont stables dans les conditions de Titan, mais également des spectres de lumière qui coïncident bien avec les mesures de la NASA”, a expliqué Rahm.
Grâce à une analyse théorique, les chercheurs ont identifié plusieurs formes cristallines stables, ce qui suggère que les forces intermoléculaires au sein du solide cyanure d’hydrogène sont renforcées de manière inattendue par ce mélange.
Importance et exploration future
Cette découverte a de profondes implications pour la compréhension des processus chimiques sur Titan et potentiellement dans tout le système solaire. La capacité de molécules apparemment incompatibles à interagir et à former des structures stables ouvre des possibilités passionnantes d’interactions moléculaires complexes, peut-être même la possibilité de former de nouveaux composés organiques.
Comme l’a observé Athena Coustenis, planétologue à l’Observatoire Paris-Meudon, la combinaison de résultats expérimentaux et théoriques est particulièrement impressionnante, et elle est impatiente de voir comment les futures données, y compris celles de la sonde Dragonfly de la NASA (dont l’arrivée est prévue sur Titan en 2034), compléteront les résultats de l’étude.
La découverte selon laquelle l’eau et les substances de type huile peuvent se mélanger dans des conditions spécifiques modifie radicalement notre compréhension des interactions chimiques dans les environnements extrêmes de notre système solaire.
