Новое исследование показало, что в условиях экстремального холода на крупнейшей луне Сатурна, Титане, правила химии, как мы их понимаем на Земле, могут быть переписаны. Ученые обнаружили, что вода и вещества, похожие на масло, могут образовывать стабильные смеси — удивительное открытие, которое открывает возможности для сложных молекулярных взаимодействий во всей нашей Солнечной системе.
Подрыв фундаментального химического правила
Устоявшееся правило «подобное растворяется в подобном» гласит, что смеси, содержащие полярные и неполярные вещества, обычно разделяются на отдельные слои. Полярные молекулы, такие как вода или цианистый водород, обладают неравномерным распределением электрического заряда, создавая участки с небольшими положительными и отрицательными зарядами, которые притягиваются друг к другу. Неполярные соединения, такие как масла и углеводороды, имеют симметричное расположение зарядов и взаимодействуют только слабо с соседними неполярными молекулами.
Однако исследования NASA’s Jet Propulsion Laboratory и Chalmers University of Technology в Швеции показали, что цианистый водород, полярная молекула, образует стабильные сокристаллы с метаном и этаном, двумя чрезвычайно неполярными углеводородами, на поверхности Титана. Это неожиданное взаимодействие противоречит общепринятому химическому пониманию. «Это противоречит правилу в химии, «подобное растворяется в подобном», что в основном означает, что объединять эти полярные и неполярные вещества не должно быть возможно», — объяснил ведущий автор исследования Мартин Рахм, доцент химии.
Воссоздание условий на Титане
Команда стремилась понять судьбу цианистого водорода, образующегося в атмосфере Титана, которая содержит высокие уровни азота, метана и этана. Эти соединения циркулируют через местную систему погоды, подобную земному водному циклу. Чтобы исследовать этот вопрос, исследователи воссоздали условия на поверхности Титана, комбинируя смеси метана, этана и цианистого водорода при температурах около -297 градусов Фаренгейта (-183 градуса Цельсия). Спектроскопический анализ — метод изучения химических веществ путем наблюдения за тем, как они взаимодействуют со светом — выявил удивительный результат: эти, казалось бы, несовместимые соединения взаимодействовали гораздо теснее, чем наблюдалось ранее.
Анализ показал, что молекулы неполярного метана и этана вставлялись в зазоры внутри твердой кристаллической структуры цианистого водорода — процесс, известный как интеркаляция. Это создало необычный сокристалл, содержащий обе группы молекул.
От эксперимента к теории
Чтобы объяснить свои наблюдения, команда NASA сотрудничала с исследователями из Chalmers University of Technology для моделирования сотен потенциальных структур сокристаллов, оценивая каждую на предмет стабильности в холодных условиях Титана.
«Наши расчеты не только предсказали, что неожиданные смеси стабильны в условиях Титана, но и спектры света, которые хорошо совпадают с измерениями NASA», — объяснил Рахм.
Благодаря теоретическому анализу исследователи выявили несколько стабильных кристаллических форм, что указывает на то, что межмолекулярные силы в твердом цианистом водороде неожиданно усиливаются за счет этого смешивания.
Значение и будущие исследования
Это открытие имеет глубокие последствия для понимания химических процессов на Титане и потенциально во всей Солнечной системе. Способность, казалось бы, несовместимых молекул взаимодействовать и образовывать стабильные структуры открывает захватывающие возможности для сложных молекулярных взаимодействий, возможно даже для образования новых органических соединений.
Как отметила Афина Кустенис, планетолог из Парижско-Медонской обсерватории, сочетание экспериментальных и теоретических результатов особенно впечатляет, и она с нетерпением ждет, как будущие данные, включая данные зонда NASA «Dragonfly» (планируемого к прибытию на Титан в 2034 году), дополнят выводы исследования.
Обнаружение того, что вода и вещества, похожие на масло, могут смешиваться в определенных условиях, кардинально меняет наше понимание химических взаимодействий в экстремальных средах в нашей Солнечной системе.
