Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции и американского космического агентства NASA совершили неожиданное открытие, которое ставит под сомнение одно из основных правил химии и даёт новые знания об загадочном спутнике Сатурна Титане.
В крайне холодной среде несовместимых веществ можно добиться их смешивания
В условиях экстремально низкой температуры обычно несовместимые вещества всё же могут смешиваться. Это открытие расширяет наше понимание химии до появления жизни.
Учёные давно интересуются крупнейшим спутником Сатурна, который имеет оранжевый цвет, поскольку его эволюция может рассказать нам больше о нашей планете и первых химических шагах на пути к жизни. Холодная среда Титана и его плотная атмосфера, наполненная азотом и метаном, во многом похожа на условия, которые, как считается, существовали на молодой Земле миллиарды лет назад. Изучая Титан, исследователи надеются найти ключи к разгадке происхождения жизни.
Мартин Рам, доцент кафедры химии и химической инженерии в Чалмерсе, уже давно работает над тем, чтобы понять, что происходит на Титане
Он надеется, что удивительное открытие его исследовательской группы — способность некоторых полярных и неполярных веществ объединяться — послужит основой для будущих исследований Титана.
«Это очень интересные находки, которые могут помочь нам понять что-то в очень большом масштабе, например, спутник размером с планету Меркурий», — говорит он.
В статье исследователей, опубликованной в PNAS, показано, что метан, этан и водородный цианид, которые в больших количествах присутствуют в атмосфере и на поверхности Титана, могут взаимодействовать таким образом, который ранее считался невозможным.
Тот факт, что водородный цианид, исключительно полярная молекула, может образовывать кристаллы с полностью неполярными веществами, такими как метан и этан, удивляет, поскольку обычно такие вещества остаются строго разделёнными, подобно маслу и воде.
«Открытие неожиданного взаимодействия между этими веществами может повлиять на то, как мы понимаем геологию Титана и его странные ландшафты из озёр, морей и песчаных дюн», — говорит Мартин Рам, возглавлявший исследование.
«Кроме того, водородный цианид, вероятно, играет важную роль в абиотическом создании некоторых строительных блоков жизни, например, аминокислот, которые используются для построения белков, и нуклеотидов, которые необходимы для генетического кода. Так что наша работа также способствует пониманию химии до появления жизни и того, как она может протекать в экстремальных, негостеприимных условиях».
Вопрос, на который отвечает исследование Чалмерса: что происходит с водородным цианидом после его создания в атмосфере Титана?
Группа в Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) в Калифорнии начала проводить эксперименты, в которых они смешивали водородный цианид с метаном и этаном при температурах до 90 Кельвинов (около -180 градусов Цельсия). При таких температурах водородный цианид представляет собой кристалл, а метан и этан — жидкости.
Изучая такие смеси с помощью лазерной спектроскопии, метода исследования материалов и молекул на атомном уровне, они обнаружили, что молекулы остались неповреждёнными, но что-то всё же произошло. Чтобы понять что, они связались с исследовательской группой Мартина Рама в Чалмерсе, которая провела обширные исследования водородного цианида.
«Это привело к захватывающему теоретическому и экспериментальному сотрудничеству между Чалмерсом и NASA. Вопрос, который мы себе задавали, был немного безумным: можно ли объяснить измерения кристаллической структурой, в которой метан или этан смешаны с водородным цианидом? Это противоречит правилу в химии: „подобное растворяется в подобном“, что в основном означает, что объединить эти полярные и неполярные вещества не должно быть возможным», — говорит Рам.
Исследователи из Чалмерса использовали крупномасштабное компьютерное моделирование, чтобы проверить тысячи различных способов организации молекул в твёрдом состоянии в поисках ответов.
В своём анализе они обнаружили, что углеводороды проникли в кристаллическую решётку водородного цианида и образовали стабильные новые структуры, известные как сокристаллы.
«Это может произойти при очень низких температурах, таких как на Титане. Наши расчёты предсказали не только то, что неожиданные смеси стабильны в условиях Титана, но и спектры света, которые хорошо совпадают с измерениями NASA», — говорит он.
Открытие ставит под сомнение одно из наиболее известных правил химии, но Мартин Рам не считает, что пришло время переписывать учебники по химии.
«Я вижу это как хороший пример того, когда границы в химии сдвигаются, и универсально принятое правило не всегда применимо», — говорит он.
В 2034 году ожидается, что космический зонд NASA Dragonfly достигнет Титана с целью изучения того, что находится на его поверхности. До тех пор Мартин Рам и его коллеги планируют продолжить изучение химии водородного цианида, частично в сотрудничестве с NASA.
«Водородный цианид обнаружен во многих местах Вселенной, например, в больших пылевых облаках, в планетарных атмосферах и в кометах. Результаты нашего исследования могут помочь нам понять, что происходит в других холодных средах в космосе. И мы, возможно, сможем выяснить, могут ли другие неполярные молекулы также проникать в кристаллы водородного цианида и, если да, то что это может означать для химии, предшествующей появлению жизни», — говорит он.
В 2028 году американское космическое агентство NASA планирует запустить космический зонд Dragonfly, который, как ожидается, достигнет Титана в 2034 году. Цель — изучить пребиотическую химию, химию, предшествующую жизни, и поискать признаки жизни.
Предоставлено Технологическим университетом Чалмерса.