Neočekivano otkriće na Saturnovom mjesecu

Istraživači s Tehnološkog Sveučilišta Chalmers u Švedskoj i američke svemirske agencije NASA došli su do neočekivanog otkrića koje dovodi u pitanje jedno od osnovnih pravila kemije i pruža nova znanja o Saturnovom enigmatičnom mjesecu Titanu.

U njegovom izuzetno hladnom okruženju, inače nekompatibilne tvari još uvijek se mogu miješati. Ovo otkriće proširuje naše razumijevanje kemije prije pojave života.

Znanstvenici su već dugo zainteresirani za Saturnov najveći narančasti mjesec, jer nas njegova evolucija može naučiti više o našem planetu i najranijim kemijskim koracima prema životu. Titanovo hladno okruženje i njegova gusta atmosfera ispunjena dušikom i metanom imaju mnogo sličnosti s uvjetima za koje se smatra da su postojali na mladoj Zemlji prije milijardi godina. Proučavajući Titan, istraživači se stoga nadaju pronaći tragove o podrijetlu života.

Martin Rahm, izvanredni profesor na Odjelu za kemiju i kemijsko inženjerstvo u Chalmersu, dugo je radio na tome da bolje razumije što se događa na Titanu. Sada se nada da će iznenađujuće otkriće istraživačke skupine, da se određene polarne i nepolarne tvari mogu kombinirati, unaprijediti buduća istraživanja Titana.

Rad istraživača, objavljen u znanstvenom časopisu PNAS, pokazuje da metan, etan i cijanovodik, koji postoje u velikim količinama u atmosferi i na površini Titana, mogu međusobno djelovati na način koji se prije nije smatrao mogućim.

Iznenađujuće je da cijanovodik, iznimno polarna molekula (polarne molekule imaju neravnomjernu raspodjelu električnog naboja, odnosno imaju trajni električni dipolni moment jer su im središta pozitivnog i negativnog naboja odvojena), može formirati kristale s potpuno nepolarnim tvarima poput metana i etana jer takve tvari obično ostaju strogo odvojene, slično kao nafta i voda.

„Otkriće neočekivane interakcije između ovih tvari moglo bi utjecati na to kako razumijemo geologiju Titana i njegove neobične krajolike jezera, mora i pješčanih dina. Osim toga, cijanovodik vjerojatno igra važnu ulogu u abiotičkom stvaranju nekoliko gradivnih blokova života, na primjer aminokiselina, koje se koriste za izgradnju proteina, i nukleobaza, koje su potrebne za genetski kod. Dakle, naš rad također doprinosi uvidima u kemiju prije nastanka života i otkriva kako bi se on mogao odvijati u ekstremnim, negostoljubivim okruženjima“, kaže Martin Rahm.

Pozadina Chalmersove studije je neodgovoreno pitanje o Titanu: Što se događa s cijanovodikom nakon što se stvori u Titanovoj atmosferi? Jesu li metri njega taloženi na površini ili je na neki način interagirao ili reagirao s okolinom?

Kako bi pronašli odgovor, grupa u NASA-inom Laboratoriju za mlazni pogon (JPL) u Kaliforniji započela je provoditi eksperimente u kojima su miješali cijanovodik s metanom i etanom na temperaturama niskim i do 90 Kelvina (oko -180 stupnjeva Celzija). Na tim temperaturama, cijanovodik je kristal, a metan i etan su tekućine.

Kada su proučavali takve smjese pomoću laserske spektroskopije, metode za ispitivanje materijala i molekula na atomskoj razini, otkrili su da su molekule netaknute, ali da se nešto ipak dogodilo. Kako bi razumjeli što, kontaktirali su istraživačku grupu Martina Rahma u Chalmersu, koja je provela opsežno istraživanje cijanovodika.

„To je dovelo do uzbudljive teorijske i eksperimentalne suradnje između Chalmersa i NASA-e. Pitanje koje smo si postavili bilo je pomalo ludo: Mogu li se mjerenja objasniti kristalnom strukturom u kojoj je metan ili etan pomiješan s vodikovim cijanidom? To proturječi pravilu u kemiji, 'slično se otapa slično', što u osnovi znači da ne bi trebalo biti moguće kombinirati ove polarne i nepolarne tvari“, kaže Rahm.

Istraživači s Chalmersa koristili su računalne simulacije velikih razmjera kako bi testirali tisuće različitih načina organiziranja molekula u čvrstom stanju, u potrazi za odgovorima. U svojoj analizi otkrili su da su ugljikovodici prodrli u kristalnu rešetku vodikovog cijanida i formirali stabilne nove strukture poznate kao ko-kristali.

„To se može dogoditi na vrlo niskim temperaturama, poput onih na Titanu. Naši izračuni predvidjeli su ne samo da su neočekivane smjese stabilne u uvjetima Titana, već i spektre svjetlosti koji se dobro podudaraju s NASA-inim mjerenjima“, kaže.

Otkriće dovodi u pitanje jedno od najpoznatijih pravila kemije. "Vidim to kao lijep primjer kada se granice u kemiji pomiču i kada univerzalno prihvaćeno pravilo ne vrijedi uvijek", kaže Rahm.

Očekuje se da će NASA-ina svemirska sonda Dragonfly 2034. godine stići do Titana s ciljem istraživanja što se nalazi na njegovoj površini. Do tada, Martin Rahm i njegovi kolege planiraju nastaviti istraživanje kemije vodikovog cijanida, dijelom u suradnji s NASA-om.