Výzkum ukazuje, že molekuly na Saturnově měsíci Titan porušují základní pravidlo chemie
Nová studie ukazuje, že mrazivé podmínky na povrchu největšího měsíce Saturnu, Titanu, umožňují jednoduchým molekulám v jeho atmosféře porušit jedno z nejzákladnějších pravidel v chemii.
Podle tohoto principu, známého jako „podobné rozpouští podobné“, se směsi obsahující polární i nepolární složky, jako je olej a voda, obvykle nemíchají a místo toho tvoří samostatné vrstvy.
„To je v rozporu s pravidlem v chemii, ‚podobné se rozpouští jako‘, což v podstatě znamená, že by nemělo být možné kombinovat tyto polární a nepolární látky,“ hlavní autor studie. Martin Rahmdocent chemie, biochemie a chemického inženýrství na Chalmers University of Technology, řekl v a prohlášení.
Nová studie, publikovaná 23. července v časopise PNASzpochybňuje dlouhodobý pilíř chemie a mohl by otevřít dveře k objevu exotičtějších pevných struktur napříč celým světem sluneční soustava.
Obnovení povrchu Titanu
Podle výzkumu se podmínky na povrchu Titanu nápadně podobají podmínkám na rané Zemi. Jeho atmosféra obsahuje vysoké hladiny dusíku a jednoduchých uhlovodíkových sloučenin metanu a ethanu, které se cyklují v lokalizovaném povětrnostním systému, podobně jako vodní cyklus Země.
Až dosud si však výzkumníci nebyli jisti osudem kyanovodíku produkovaného reakcemi v této atmosféře. Ukládá se na povrchu jako pevná látka? Reaguje na své okolí? Nebo by mohl být přeměněn na první molekuly života?
Aby tým NASA prozkoumal tyto otázky, replikoval podmínky na povrchu Titanu kombinací směsí metanu, etanu a kyanovodíku při teplotách kolem minus 297 stupňů Fahrenheita (minus 183 stupňů Celsia). Spektroskopická analýza – způsob, jak studovat chemikálie prostřednictvím jejich interakcí s různými vlnovými délkami světla – přinesla neočekávané výsledky, které naznačují, že tyto kontrastní sloučeniny interagují mnohem těsněji, než kdy předtím bylo pozorováno.
Zdálo se, že molekuly nepolárního metanu a ethanu se zasuly do mezer v pevné krystalové struktuře kyanovodíku – proces známý jako interkalace – a vytvořily tak neobvyklý kokrystal obsahující obě sady molekul.
Obvykle se polární a nepolární molekuly nemíchají. Polární sloučeniny, jako je voda a kyanovodík, mají v molekule nerovnoměrné rozložení náboje, takže některé oblasti jsou mírně pozitivní a jiné mírně negativní. Tyto opačně nabité oblasti jsou k sobě přitahovány, vytvářejí silné intermolekulární interakce mezi různými polárními molekulami a do značné míry ignorují jakékoli nepolární složky.
Mezitím mají nepolární oleje a uhlovodíky zcela symetrické uspořádání náboje a velmi slabě interagují se sousedními nepolárními molekulami a vůbec ne s polárními částicemi. Výsledkem je, že směsi obsahující polární i nepolární složky, jako je olej a voda, obvykle tvoří odlišné vrstvy.
Aby vysvětlili svá bizarní pozorování, spojil tým NASA své síly s výzkumníky z Chalmers University of Technology, aby modelovali stovky potenciálních struktur kokrystalů, přičemž každou z nich posoudili z hlediska její pravděpodobné stability za podmínek na Titanu.
„Naše výpočty předpověděly nejen to, že neočekávané směsi jsou stabilní za podmínek Titanu, ale také spektra světla, která se dobře shodují s měřeními NASA,“ vysvětlil Rahm.
Jejich teoretická analýza identifikovala několik možných stabilních krystalických forem, které jsou podle nich stabilizovány překvapivým zvýšením síly mezimolekulárních sil v pevném kyanovodíku vyvolané tímto mícháním.
Jejich důsledná kombinace teorie a experimentu zapůsobila Athéna Coustenisováplanetární vědec na observatoři Paříž-Meudon ve Francii. Je nadšená, že uvidí, jak budoucí data, včetně těch ze sondy Dragonfly NASA (má dorazit na Titan v roce 2034), doplní zjištění studie.
„Porovnání laboratorních spekter s nadcházejícími daty mise Dragonfly může odhalit signatury těchto pevných látek na povrchu Titanu, což poskytne pohled na jejich geologické role a potenciální význam jako nízkoteplotní, prebiotické reakční prostředí,“ řekl Coustenis Live Science v e-mailu. Další práce by mohla tento přístup dokonce rozšířit na další molekuly pravděpodobně generované atmosférou Titanu, včetně kyanoacetylenu (HC3N), acetylen (C2H2), isokyanovodík (HNC) a dusík (N2), řekla. „(To) otestuje, zda je takové míchání obecným rysem organické chemie Titanu.“
