Un nuovo studio ha rivelato che, nelle condizioni estremamente fredde di Titano, la luna più grande di Saturno, le regole della chimica così come le comprendiamo sulla Terra possono essere riscritte. Gli scienziati hanno scoperto che l’acqua e le sostanze simili al petrolio possono formare miscele stabili: una scoperta sorprendente che apre possibilità per complesse interazioni molecolari in tutto il nostro sistema solare.
Sfidare una regola chimica fondamentale
Il principio consolidato secondo cui “il simile dissolve il simile” impone che le miscele contenenti sostanze polari e non polari generalmente si separino in strati distinti. Le molecole polari, come l’acqua o l’acido cianidrico, possiedono una distribuzione non uniforme della carica elettrica, creando aree con leggere cariche positive e negative che si attraggono a vicenda. I composti non polari, come oli e idrocarburi, hanno disposizioni di carica simmetriche e interagiscono solo debolmente con le molecole non polari vicine.
Tuttavia, la ricerca del Jet Propulsion Laboratory della NASA e della Chalmers University of Technology in Svezia ha dimostrato che il cianuro di idrogeno, una molecola polare, forma co-cristalli stabili con metano ed etano, due idrocarburi estremamente non polari, sulla superficie di Titano. Questa interazione inaspettata sfida la comprensione chimica convenzionale. “Ciò contraddice una regola chimica, ‘il simile dissolve il simile’, che sostanzialmente significa che non dovrebbe essere possibile combinare queste sostanze polari e non polari”, ha spiegato l’autore principale dello studio Martin Rahm, professore associato di chimica.
Ricreare le condizioni su Titano
Il team ha cercato di comprendere il destino dell’acido cianidrico prodotto nell’atmosfera di Titano, che contiene alti livelli di azoto, metano ed etano. Questi composti attraversano un sistema meteorologico localizzato simile al ciclo dell’acqua terrestre. Per indagare, i ricercatori hanno ricreato le condizioni della superficie di Titano combinando miscele di metano, etano e acido cianidrico a temperature intorno a -297 gradi Fahrenheit (-183 gradi Celsius). L’analisi spettroscopica – un metodo per studiare le sostanze chimiche osservando come interagiscono con la luce – ha rivelato un risultato sorprendente: questi composti apparentemente incompatibili interagivano molto più strettamente di quanto osservato in precedenza.
L’analisi ha mostrato che le molecole di metano ed etano non polari si inseriscono negli spazi all’interno della struttura cristallina solida dell’acido cianidrico, un processo noto come intercalazione. Ciò ha creato un insolito co-cristallo contenente entrambi i gruppi di molecole.
Dall’esperimento alla teoria
Per spiegare le loro osservazioni, il team della NASA ha collaborato con i ricercatori della Chalmers University of Technology per modellare centinaia di potenziali strutture co-cristalline, valutandone la stabilità nelle condizioni gelide di Titano.
“I nostri calcoli hanno previsto non solo che le miscele inaspettate siano stabili nelle condizioni di Titano, ma anche che gli spettri di luce coincidono bene con le misurazioni della NASA”, ha spiegato Rahm.
Attraverso l’analisi teorica, i ricercatori hanno identificato diverse forme cristalline stabili, suggerendo che le forze intermolecolari all’interno del solido di acido cianidrico vengono inaspettatamente rafforzate da questa miscelazione.
Significato ed esplorazione futura
Questa scoperta ha profonde implicazioni per la comprensione dei processi chimici su Titano e potenzialmente in tutto il sistema solare. La capacità di molecole apparentemente incompatibili di interagire e formare strutture stabili apre interessanti possibilità per interazioni molecolari complesse, forse anche il potenziale per la formazione di nuovi composti organici.
Come ha osservato Athena Coustenis, scienziata planetaria dell’Osservatorio di Parigi-Meudon, la combinazione di risultati sperimentali e teorici è particolarmente impressionante, ed è ansiosa di vedere come i dati futuri, compresi quelli della sonda Dragonfly della NASA (il cui arrivo su Titano è previsto nel 2034), completeranno i risultati dello studio.
La scoperta che l’acqua e le sostanze simili al petrolio possono mescolarsi in condizioni specifiche cambia drasticamente la nostra comprensione delle interazioni chimiche negli ambienti estremi all’interno del nostro sistema solare.
