Нове дослідження показало, що в надзвичайно холодних умовах на найбільшому супутнику Сатурна, Титані, правила хімії, як ми їх розуміємо на Землі, можуть бути переписані. Вчені виявили, що вода та нафтоподібні речовини можуть утворювати стабільні суміші. Це дивовижне відкриття відкриває можливість складних молекулярних взаємодій у всій нашій Сонячній системі.
Порушення фундаментального хімічного правила
Загальноприйняте правило «подібне розчиняється подібним» стверджує, що суміші, що містять полярні та неполярні речовини, зазвичай поділяються на окремі шари. Полярні молекули, такі як вода або ціанід водню, мають нерівномірний розподіл електричного заряду, створюючи області невеликих позитивних і негативних зарядів, які притягуються одна до одної. Неполярні сполуки, такі як масла і вуглеводні, мають симетричне розташування зарядів і слабо взаємодіють із сусідніми неполярними молекулами.
Проте дослідження Лабораторії реактивного руху NASA та Технологічного університету Чалмерса в Швеції показали, що ціанід водню, полярна молекула, утворює стабільні співкристали з метаном і етаном, двома надзвичайно неполярними вуглеводнями, на поверхні Титана. Ця несподівана взаємодія суперечить традиційному хімічному розумінню. «Це суперечить правилу в хімії «подібне розчиняється подібним», що в основному означає, що поєднання цих полярних і неполярних речовин не повинно бути можливим», — пояснив провідний автор дослідження Мартін Рам, асистент професора хімії.
Відтворення умов на Титані
Команда намагалася зрозуміти долю ціаніду водню, що утворюється в атмосфері Титана, яка містить високий рівень азоту, метану та етану. Ці сполуки циркулюють через місцеву погодну систему, подібно до кругообігу води на Землі. Щоб дослідити це питання, дослідники відтворили умови на поверхні Титана, поєднавши суміші метану, етану та ціаніду водню при температурах близько -297 градусів за Фаренгейтом (-183 градуси за Цельсієм). Спектроскопічний аналіз — метод дослідження хімічних речовин шляхом спостереження за їхньою взаємодією зі світлом — показав дивовижний результат: ці, здавалося б, різні сполуки взаємодіяли набагато тісніше, ніж спостерігалося раніше.
Аналіз показав, що молекули неполярного метану та етану були вставлені в щілини всередині твердої кристалічної структури ціаніду водню, процес, відомий як інтеркаляція. Це створило незвичайний співкристал, що містить обидві групи молекул.
Від експерименту до теорії
Щоб пояснити свої спостереження, команда NASA співпрацювала з дослідниками з Технологічного університету Чалмерса, щоб змоделювати сотні потенційних співкристалічних структур, оцінюючи кожну на стабільність у холодному середовищі Титана.
«Наші розрахунки не тільки передбачили, що несподівані суміші були стабільними в умовах Титана, але також передбачили спектри світла, які добре відповідали вимірюванням NASA», — пояснив Рам.
За допомогою теоретичного аналізу дослідники ідентифікували кілька стабільних кристалічних форм, що вказує на те, що міжмолекулярні сили в твердому ціаніді водню несподівано посилюються в результаті такого змішування.
Значення та майбутні дослідження
Це відкриття має глибокі наслідки для розуміння хімічних процесів на Титані та, можливо, у всій Сонячній системі. Здатність, здавалося б, несумісних молекул взаємодіяти й утворювати стабільні структури відкриває захоплюючі можливості для складних молекулярних взаємодій, можливо, навіть для утворення нових органічних сполук.
Поєднання експериментальних і теоретичних результатів є особливо вражаючим, сказала Афіна Кустеніс, планетолог з обсерваторії Париж-Медон, і вона з нетерпінням чекає, як майбутні дані, включно з даними зонда NASA Dragonfly (запланованого прибуття на Титан у 2034 році), додадуть результатів дослідження.
Відкриття того, що вода та нафтоподібні речовини можуть змішуватися за певних умов, докорінно змінює наше розуміння хімічних взаємодій в екстремальних середовищах нашої Сонячної системи.
