Egzotyczna chemia na największym księżycu Saturna
Na Tytanie, największym księżycu Saturna, substancje, które na Ziemi nigdy by się ze sobą nie połączyły, mieszają się, pozornie przecząc podstawowym zasadom chemii.
Naukowcy z NASA i Uniwersytetu Chamera odkryli, że na lodowym księżycu Saturna, Tytanie, niektóre substancje mogą mieszać się ze sobą, łamiąc chemiczną zasadę „podobne rozpuszcza się w podobnym”. Na czym polega ta zasada? Owo „podobieństwo” dotyczy polarności cząsteczek, czyli sposobu, w jaki rozkładają się ładunki elektryczne w cząsteczce. Substancje polarne mają wyraźne bieguny elektryczne (część cząsteczki ma większą elektroujemność, a druga część ma ładunek dodatni. Przykładem może być woda (H₂O). Substancje niepolarne nie mają trwałego rozdziału ładunku, elektrony są rozłożone równomiernie. Przykład takiej substancji jest benzyna (mieszanina węglowodorów). A zatem polary rozpuszczają polary (woda dobrze rozpuszcza alkohol, cukier czy sól), a niepolary rozpuszczają niepolary (benzyna rozpuszcza tłuszcze, oleje i parafinę). Zaś mieszaniny zawierające zarówno składniki polarne, jak i niepolarne, takie jak olej i woda, nie mieszają się, lecz tworzą oddzielne warstwy.
Badania sugerują, że warunki na powierzchni Tytana są uderzająco podobne do tych, jakie panowały na wczesnej Ziemi. Jego atmosfera zawiera wysokie stężenie azotu oraz prostych węglowodorów, metanu i etanu, które krążą w lokalnym systemie pogodowym, podobnie jak przebiega cykl wodny na naszej planecie. Do tej pory jednak naukowcy nie byli pewni losu cyjanowodoru powstającego w wyniku reakcji w tej atmosferze. Czy osadza się on na powierzchni w postaci stałej? Czy reaguje z otoczeniem? A może przekształca się w cząsteczki życia? Aby zbadać te kwestie, zespół NASA odtworzył warunki panujące na powierzchni Tytana, łącząc mieszaniny metanu, etanu i cyjanowodoru w temperaturach około minus 183 stopni Celsjusza. Analiza spektroskopowa (metoda badania związków chemicznych poprzez ich interakcje z różnymi długościami fal światła) przyniosła nieoczekiwane rezultaty, sugerujące, że te związki oddziaływały na siebie znacznie ściślej niż kiedykolwiek wcześniej obserwowano. Okazało się, że cząsteczki niepolarnego metanu i etanu wniknęły w luki w stałej strukturze krystalicznej cyjanowodoru — w procesie znanym jako interkalacja, nie niszcząc jego struktury, a wręcz przeciwnie – tworząc niezwykły współkryształ zawierający oba zestawy cząsteczek.
Aby wyjaśnić te obserwacje, zespół NASA połączył siły z naukowcami z Chalmers University of Technology w Szwecji. Stworzono modele setek potencjalnych struktur współkryształów, oceniając każdą z nich pod kątem prawdopodobnej stabilności w warunkach panujących na Tytanie. Analiza teoretyczna pozwoliła na zidentyfikowanie kilku możliwych stabilnych form krystalicznych, które, jak zakładają naukowcy, są stabilizowane przez zaskakujący wzrost siły oddziaływań międzycząsteczkowych w stałym cyjanku wodoru.
Warto dodać, że w 2034 roku do Tytana ma dotrzeć sonda NASA Dragonfly. Będzie to okazja, aby nowe dane uzupełniły wyniki tych badań. Porównanie ich może ujawnić sygnatury ciał stałych na powierzchni Tytana i dostarczyć wglądu w ich rolę geologiczną, a także odkryć potencjalne znaczenie jako niskotemperaturowych, prebiotycznych środowisk reakcji. Badania atmosfery Tytana mogłyby sprawdzić, czy takie mieszanie jest ogólną cechą chemii organicznej Tytana, pomóc wyjaśnić niezwykłe krajobrazy księżyca, w tym jeziora, rzeki, morza ciekłych węglowodorów (metanu/etanu) i wydmy, oraz dostarczyć wskazówek dotyczących powstawania cegiełek życia.
Opracowano na podstawie:
Saturn's moon Titan just broke one of chemistry’s oldest rules
Hydrogen cyanide and hydrocarbons mix on Titan
