Een nieuwe studie heeft onthuld dat onder de extreem koude omstandigheden op de grootste maan van Saturnus, Titan, de regels van de chemie zoals we die op aarde begrijpen, kunnen worden herschreven. Wetenschappers hebben ontdekt dat water en olieachtige stoffen stabiele mengsels kunnen vormen – een verrassende ontdekking die mogelijkheden opent voor complexe moleculaire interacties in ons hele zonnestelsel.
Een fundamentele chemische regel ter discussie stellen
Het gevestigde principe dat ‘het gelijke oplost’ dicteert dat mengsels die polaire en niet-polaire stoffen bevatten, zich doorgaans in afzonderlijke lagen scheiden. Polaire moleculen, zoals water of waterstofcyanide, hebben een ongelijkmatige verdeling van de elektrische lading, waardoor gebieden ontstaan met lichte positieve en negatieve ladingen die elkaar aantrekken. Niet-polaire verbindingen, zoals oliën en koolwaterstoffen, hebben een symmetrische ladingsregeling en werken slechts zwak samen met aangrenzende niet-polaire moleculen.
Onderzoek van NASA’s Jet Propulsion Laboratory en Chalmers University of Technology in Zweden heeft echter aangetoond dat waterstofcyanide, een polair molecuul, stabiele co-kristallen vormt met methaan en ethaan, twee extreem niet-polaire koolwaterstoffen, op het oppervlak van Titan. Deze onverwachte interactie tart het conventionele chemische begrip. “Dit is in tegenspraak met een regel in de scheikunde, ‘het gelijke lost het gelijke op’, wat in feite betekent dat het niet mogelijk zou moeten zijn om deze polaire en niet-polaire stoffen te combineren”, legt hoofdonderzoeksauteur Martin Rahm, universitair hoofddocent scheikunde, uit.
De omstandigheden op Titan opnieuw creëren
Het team probeerde het lot te begrijpen van waterstofcyanide dat wordt geproduceerd in de atmosfeer van Titan, die hoge concentraties stikstof, methaan en ethaan bevat. Deze verbindingen cirkelen door een gelokaliseerd weersysteem dat lijkt op de watercyclus van de aarde. Om dit te onderzoeken, hebben onderzoekers de oppervlaktecondities van Titan nagebootst door mengsels van methaan, ethaan en waterstofcyanide te combineren bij temperaturen rond de -297 graden Fahrenheit (-183 graden Celsius). Spectroscopische analyse – een methode om chemicaliën te bestuderen door te observeren hoe ze met licht interageren – bracht een verrassend resultaat aan het licht: deze schijnbaar onverenigbare verbindingen hadden een veel nauwere interactie dan eerder werd waargenomen.
Uit de analyse bleek dat moleculen van niet-polair methaan en ethaan in gaten in de vaste kristalstructuur van waterstofcyanide terechtkwamen – een proces dat bekend staat als intercalatie. Hierdoor ontstond een ongebruikelijk co-kristal dat beide sets moleculen bevatte.
Van experiment naar theorie
Om hun waarnemingen te verklaren, werkte het NASA-team samen met onderzoekers van de Chalmers University of Technology om honderden potentiële co-kristalstructuren te modelleren, waarbij ze elk beoordeelden op stabiliteit onder de ijskoude omstandigheden van Titan.
“Onze berekeningen voorspelden niet alleen dat de onverwachte mengsels stabiel zijn onder de omstandigheden van Titan, maar ook lichtspectra die goed samenvallen met de metingen van NASA”, legt Rahm uit.
Door middel van theoretische analyse hebben onderzoekers verschillende stabiele kristalvormen geïdentificeerd, wat suggereert dat de intermoleculaire krachten in de vaste waterstofcyanide onverwacht worden versterkt door deze menging.
Betekenis en toekomstig onderzoek
Deze ontdekking heeft diepgaande gevolgen voor het begrijpen van chemische processen op Titan en mogelijk in het hele zonnestelsel. Het vermogen van ogenschijnlijk onverenigbare moleculen om met elkaar in wisselwerking te treden en stabiele structuren te vormen, schept opwindende mogelijkheden voor complexe moleculaire interacties, misschien zelfs het potentieel voor de vorming van nieuwe organische verbindingen.
Zoals Athena Coustenis, een planetaire wetenschapper bij het Paris-Meudon Observatorium, opmerkte, is de combinatie van experimentele en theoretische bevindingen bijzonder indrukwekkend, en ze wil graag zien hoe toekomstige gegevens, waaronder die van NASA’s Dragonfly-sonde (gepland om in 2034 op Titan aan te komen), de bevindingen van het onderzoek zullen aanvullen.
De bevinding dat water en olieachtige stoffen zich onder specifieke omstandigheden kunnen vermengen, verandert ons begrip van chemische interacties in extreme omgevingen binnen ons zonnestelsel drastisch.
