Загадка моря на Титане: Неожиданные открытия о смеси химических веществ

Холодные условия на поверхности самого большого спутника Сатурна, Титана, позволяют простым молекулям в его атмосфере нарушать одно из самых фундаментальных правил химии, как показало новое исследование.

Согласно принципу «подобное растворяется в подобном», смеси, содержащие как полярные, так и неполярные компоненты, такие как масло и вода, обычно не смешиваются и формируют отдельные слои. Однако ученые из Лаборатории реактивного движения NASA и Технологического университета Чалмерса в Швеции были удивлены, обнаружив, что полярная молекула цианистого водорода образует стабильные ко-кристаллы с крайне неполярными углеводородами метаном и этаном на морозной поверхности Титана — молекулами, которые обычно полностью несовместимы на Земле.

«Это противоречит правилу химии, ‘подобное растворяется в подобном’, что в основном означает, что не должно быть возможности комбинировать эти полярные и неполярные вещества», — отметил ведущий автор исследования, профессор химии Мартин Рахм. Новое исследование, опубликованное 23 июля в журнале PNAS, ставит под сомнение давние основы химии и может открыть путь для открытия более экзотических твердых структур по всему солнечной системе.

Воссоздание условий на Титане

Условия на поверхности Титана поразительно напоминают атмосферные условия ранней Земли. Его атмосфера содержит высокие уровни азота, а также простые углеводородные соединения метан и этан, которые циркулируют в локализованной погодной системе, похожей на земной водный цикл. Однако до сегодняшнего дня исследователи не были уверены в судьбе цианистого водорода, образующегося в этой атмосфере. Откладывается ли он на поверхности в виде твердого тела? Реагирует ли он с окружающей средой? Или может быть преобразован в первые молекулы жизни?

Чтобы расследовать эти вопросы, команда NASA воссоздала условия на поверхности Титана, комбинируя смеси метана, этана и цианистого водорода при температурах около минус 297 градусов по Фаренгейту (минус 183 градуса по Цельсию). Спектроскопический анализ показал неожиданные результаты, предполагая, что эти контрастные соединения взаимодействуют гораздо ближе, чем когда-либо наблюдалось ранее.

Похоже, что молекулы неполярного метана и этана вписывались в промежутки в твердой кристаллической структуре цианистого водорода — процесс, известный как интеркаляция, создавая необычные ко-кристаллы, содержащие оба набора молекул.

Обычно полярные и неполярные молекулы не смешиваются. Полярные соединения, такие как вода и цианистый водород, имеют неравномерное распределение заряда по молекуле, создавая области с небольшим положительным и отрицательным зарядом. Эти противоположно заряженные области притягиваются друг к другу, формируя сильные межмолекулярные взаимодействия между различными полярными молекулами и игнорируя любые неполярные компоненты.

Для объяснения своих странных наблюдений команда NASA объединилась с исследователями из Технологического университета Чалмерса, чтобы смоделировать сотни потенциальных структур ко-кристаллов, оценивая каждую из них на предмет вероятной стабильности в условиях Титана. «Наши расчеты предсказали не только то, что неожиданные смеси стабильны при условиях Титана, но и спектры света, которые хорошо совпадают с измерениями NASA», — объяснил Рахм.

Их теоретический анализ выявил несколько возможных стабильных форм кристаллов, которые, как они предполагают, стабилизируются благодаря неожиданному усилению силы межмолекулярных взаимодействий в твердом цианистом водороде, возникающему в результате этого смешивания.

Завершая открытие

Это открытие открывает новые горизонты для исследования органической химии Титана и может предоставить важные подсказки о происхождении жизни на других планетах. Направления дальнейших исследований могут включать изучение других молекул, вероятно, образуемых в атмосфере Титана, включая цианоацетилен, ацетилен и изоцианид водорода. Потенциальные результаты могли бы изменить наше понимание химических процессов не только на Титане, но и в более широком контексте экзопланетной химии.