Причудливые кристаллы в озерах Титана могут нарушить фундаментальное правило химии
Открытие спутника Сатурна Титана бросило вызов тому, что ученые считали основным правилом химии.
Там, в условиях сильного холода, некоторые предположительно фундаментально несовместимые молекулы могут объединяться, образуя твердые тела, которые никогда раньше не наблюдались в Солнечной системе, как показывают новые исследования.
Это инопланетная материя, по мнению группы химиков под руководством химика Фернандо Искьердо-Руиса из Чалмерса. Технологического университета в Швеции, вероятно, много на Титане.
«Это очень интересные открытия, которые могут помочь нам понять что-то в очень большом масштабе, луну [Титан], такую же большую, как планета Меркурий», — говорит химик Мартин Рам из Технологического университета Чалмерса.
По теме: На Титане может быть инопланетная биосфера, но она может быть Размером с собаку
Титан — очаровательный маленький уголок Солнечной системы. Его озера метана и углеводородов содержат сложную химию, поразительно близкую к пребиотической химии, необходимой для зарождения жизни. Это не означает, что там возможна жизнь, но это дает возможность понять условия, в которых потенциально может возникнуть жизнь.
Особым краеугольным камнем пребиотической химии является цианистый водород, который при правильных условиях образует соединения, которые могут стать строительными блоками жизни, такие как нуклеиновые основания и аминокислоты. На Титане много цианистого водорода.
Это также сильно полярная молекула с неравномерным распределением электронов, что придает ей однобокий заряд.
Как правило, полярные и неполярные молекулы, такие как метан и этан на Титане, имеют тенденцию отталкивать друг друга. Чтобы заставить их объединиться, требуется больше энергии, чем для того, чтобы разлучить их. Это точный механизм, который предотвращает смешивание (полярной) воды с (неполярным) маслом.
Исследование вероятного поведения цианистого водорода на Титане началось с того, что ученые из Лаборатории реактивного движения НАСА пытались выяснить, что происходит после образования молекулы в атмосфере Титана.
Они проводили эксперименты при температуре около -180 градусов по Цельсию. (-292 по Фаренгейту), что соответствует температуре поверхности Титана. При таком сильном холоде цианистый водород представляет собой кристалл, а метан и этан находятся в жидкой форме.
После проведения эксперимента и анализа полученных смесей исследователи НАСА могли сказать, что что-то изменилось, но не были уверены, что именно, поэтому они наняли химиков из Чалмерса.
«Это привело к захватывающим теоретическим и экспериментальным открытиям. сотрудничество между Чалмерсом и НАСА», — говорит Рам. «Вопрос, который мы задали себе, был немного безумным: можно ли объяснить измерения кристаллической структурой, в которой метан или этан смешаны с цианистым водородом? Это противоречит химическому правилу: «подобное растворяется в подобном», что по сути означает, что невозможно объединить эти полярные и неполярные вещества».
Экспериментальная установка была аналогичной: камера, настроенная на температуру около -180 градусов по Цельсию, в которой исследователи выращивали кристаллы цианистого водорода. В эту среду они ввели метан, этан, пропан и бутан, используя рамановскую спектроскопию, чтобы зафиксировать, как вибрируют молекулы.
Они зафиксировали небольшие, но отчетливые сдвиги в колебаниях цианистого водорода после воздействия метана и этана, что указывает на то, что эти несовместимые вещества не просто болтались рядом друг с другом, но и взаимодействовали.
Направления этих сдвигов предположили, что водородные связи в цианистом водороде слегка укреплялись, изгибались и растягивались метаном и этаном.
Затем команда обратилась к компьютерному моделированию, чтобы подтвердить свои подозрения: метан и этан проскользнули между промежутками в кристаллической решетке цианида водорода, объединившись, чтобы сформировать структуры, известные как сокристаллы, которые остаются стабильными при температурах, подобных Титану.
Под Исследователи пришли к выводу, что в условиях Титана молекулы не колеблются термически так, как при более высоких температурах, что позволило метану и этану проникнуть в гидроцианид, показывая, как молекулы, которые обычно ненавидят друг друга, могут взаимодействовать и объединяться.
«Открытие неожиданного взаимодействия между этими веществами может повлиять на то, как мы понимаем геологию Титана и его странные ландшафты из озер, морей и песка. дюны», — говорит Рам.
Нам, возможно, придется подождать несколько лет, прежде чем значение этой причудливой химии сможет быть подтверждено, к сожалению, поскольку ожидаемый зонд «Стрекоза», как ожидается, не достигнет берега нечетного спутника Сатурна до 2034 года.
«До тех пор эти структуры представляют собой уничижительное напоминание о том, насколько удивительной может быть фундаментальная химия», — говорят исследователи. напишите.
В будущей работе исследователи надеются выяснить, какие еще неполярные вещества могут хорошо взаимодействовать с цианистым водородом, если условия будут подходящими.
Исследование было опубликовано в Трудах Национальной академии наук.
