Nowe badanie wykazało, że w ekstremalnie zimnych warunkach panujących na największym księżycu Saturna, Tytanie, zasady chemii, jakie rozumiemy na Ziemi, mogłyby zostać zapisane na nowo. Naukowcy odkryli, że woda i substancje ropopodobne mogą tworzyć stabilne mieszaniny, co jest zaskakującym odkryciem, które otwiera możliwość złożonych interakcji molekularnych w całym Układzie Słonecznym.
Podważenie podstawowej zasady chemicznej
Dobrze ugruntowana zasada „podobne rozpuszcza podobne” głosi, że mieszaniny zawierające substancje polarne i niepolarne zwykle rozdzielają się na osobne warstwy. Cząsteczki polarne, takie jak woda czy cyjanowodór, mają nierównomierny rozkład ładunku elektrycznego, tworząc obszary małych ładunków dodatnich i ujemnych, które przyciągają się nawzajem. Związki niepolarne, takie jak oleje i węglowodory, mają symetryczny układ ładunków i tylko słabo oddziałują z sąsiadującymi cząsteczkami niepolarnymi.
Jednakże badania przeprowadzone w Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA i Uniwersytecie Technologicznym Chalmers w Szwecji wykazały, że cyjanowodór, cząsteczka polarna, tworzy na powierzchni Tytana stabilne kokryształy z metanem i etanem, dwoma niezwykle niepolarnymi węglowodorami. Ta nieoczekiwana interakcja jest sprzeczna z konwencjonalnym rozumieniem chemii. „Jest to sprzeczne z zasadą chemiczną, że «podobne rozpuszcza się podobnie», co w zasadzie oznacza, że łączenie tych substancji polarnych i niepolarnych nie powinno być możliwe” – wyjaśnił główny autor badania Martin Rahm, adiunkt chemii.
Odtwarzanie warunków na Tytanie
Zespół starał się zrozumieć los cyjanowodoru wytwarzanego w atmosferze Tytana, która zawiera duże ilości azotu, metanu i etanu. Związki te krążą w lokalnym systemie pogodowym, podobnie jak obieg wody na Ziemi. Aby zbadać tę kwestię, naukowcy odtworzyli warunki panujące na powierzchni Tytana, łącząc mieszaniny metanu, etanu i cyjanowodoru w temperaturach około -297 stopni Fahrenheita (-183 stopni Celsjusza). Analiza spektroskopowa – metoda badania substancji chemicznych poprzez obserwację ich interakcji ze światłem – ujawniła zaskakujący wynik: te pozornie odmienne związki oddziaływały ze sobą znacznie ściślej niż wcześniej obserwowano.
Analiza wykazała, że cząsteczki niepolarnego metanu i etanu zostały wprowadzone w szczeliny w stałej strukturze krystalicznej cyjanowodoru w procesie znanym jako interkalacja. Stworzyło to niezwykły kokryształ zawierający obie grupy cząsteczek.
Od eksperymentu do teorii
Aby wyjaśnić swoje obserwacje, zespół NASA nawiązał współpracę z naukowcami z Politechniki Chalmers przy modelowaniu setek potencjalnych struktur kokryształów, oceniając każdą pod kątem stabilności w zimnym środowisku Tytana.
„Nasze obliczenia nie tylko przewidziały, że nieoczekiwane mieszaniny były stabilne w warunkach Tytana, ale także przewidziały widma światła, które dobrze odpowiadały pomiarom NASA” – wyjaśnił Rahm.
W drodze analizy teoretycznej naukowcy zidentyfikowali kilka stabilnych form krystalicznych, co wskazuje, że mieszanie to nieoczekiwanie zwiększa siły międzycząsteczkowe w stałym cyjanowodorze.
Znaczenie i przyszłe badania
Odkrycie to ma głębokie implikacje dla zrozumienia procesów chemicznych zachodzących na Tytanie i potencjalnie w całym Układzie Słonecznym. Zdolność pozornie niekompatybilnych cząsteczek do interakcji i tworzenia stabilnych struktur otwiera ekscytujące możliwości złożonych interakcji molekularnych, być może nawet tworzenia nowych związków organicznych.
Połączenie wyników eksperymentalnych i teoretycznych jest szczególnie imponujące, stwierdziła Athena Coustenis, planetolog z Obserwatorium Paris-Meudon i nie może się doczekać, aby zobaczyć, jak przyszłe dane, w tym dane z sondy NASA Dragonfly (która ma dotrzeć do Tytana według harmonogramu w 2034 r.), potwierdzą wyniki badania.
Odkrycie, że woda i substancje ropopodobne mogą się mieszać w pewnych warunkach, zasadniczo zmienia nasze rozumienie interakcji chemicznych w ekstremalnych środowiskach naszego Układu Słonecznego.
