На крижаній поверхні Титана – найбільшого супутника Сатурна – прості молекули в його атмосфері зуміли порушити одне з найфундаментальніших правил хімії, як виявило нове дослідження. Згідно з цим принципом, відомим як “подібне розчиняє подібне”, суміші, що містять як полярні, так і неполярні компоненти, наприклад, олія та вода, зазвичай не змішуються, а утворюють окремі шари. Однак науковці з Лабораторії реактивного руху NASA та Технологічного університету Чалмермерса у Швеції були вражені, виявивши, що полярна молекула – гідроген ціанід – формує стабільні співкристали з надзвичайно неполярними вуглеводнями – метаном та етаном на морозяній поверхні Титана. Ці молекули на Землі зазвичай вважаються абсолютно несумісними. Це відкриття кидає виклик давньому стовпу хімічної науки та може відкрити шлях до виявлення ще екзотичніших твердих структур у всій Сонячній системі.
Професор Мартін Рам, доцент кафедри хімії, біохімії та хімічної інженерії в Технологічному університеті Чалмерса – одному з провідних навчальних закладів Швеції, пояснив, що це суперечить хімічному закону “подібне розчиняє подібне”, який стверджує, що поєднання цих полярних і неполярних речовин має бути неможливим. Сатурн – шоста планета від Сонця, відома своїми величними кільцями, є газовим гігантом, а Титан – його найбільший супутник, єдине небесне тіло в нашій системі, окрім Землі, що має щільну атмосферу та стабільні поверхневі рідини. Ці рідини, втім, складаються не з води, а з метану та етану.
Відтворення поверхні Титана
Дослідження вказують, що умови на поверхні Титана вражаюче схожі на ті, що існували на ранній Землі. Його атмосфера містить значні обсяги азоту та простих вуглеводневих сполук – метану та етану, які циркулюють у локальній погодній системі, дуже подібній до кругообігу води на Землі. Однак дотепер науковці не були впевнені щодо долі гідроген ціаніду, що утворюється внаслідок реакцій у цій атмосфері. Чи осідає він на поверхні у твердому стані? Чи реагує з навколишнім середовищем? Або ж може перетворюватися на перші молекули життя?
Щоб знайти відповіді на ці питання, команда NASA – Національного управління з аеронавтики і дослідження космічного простору, чия Лабораторія реактивного руху є центром розробки роботизованих космічних апаратів, – відтворила умови поверхні Титана. Вони поєднали суміші метану, етану та гідроген ціаніду за температур близько мінус 183 градуси за Цельсієм. Спектроскопічний аналіз – метод вивчення хімічних речовин через їх взаємодію з різними довжинами хвиль світла – дав несподівані результати. Він показав, що ці контрастні сполуки взаємодіяли значно тісніше, ніж будь-коли спостерігалося раніше.
Виявилося, що молекули неполярних метану та етану вбудовувалися в проміжки твердої кристалічної структури гідроген ціаніду. Цей процес, відомий як інтеркаляція, створив незвичайний співкристал, що містить обидва набори молекул. Зазвичай полярні та неполярні молекули не змішуються. Полярні сполуки, такі як вода та гідроген ціанід, мають нерівномірний розподіл заряду по всій молекулі, створюючи області, що є трохи позитивними, та інші – трохи негативними. Ці протилежно заряджені регіони притягуються один до одного, формуючи міцні міжмолекулярні взаємодії між різними полярними молекулами, значною мірою ігноруючи будь-які неполярні компоненти.
Пояснення незвичайного явища
Натомість неполярні олії та вуглеводні мають абсолютно симетричне розташування заряду, і взаємодіють дуже слабко з сусідніми неполярними молекулами, а з полярними частинками – зовсім не взаємодіють. В результаті, суміші, що містять як полярні, так і неполярні компоненти, як-от олія та вода, зазвичай утворюють чіткі шари. Щоб пояснити свої дивні спостереження, команда NASA об’єднала зусилля з дослідниками з Технологічного університету Чалмерса для моделювання сотень потенційних структур співкристалів, оцінюючи кожну на предмет її ймовірної стабільності в умовах Титана.
Професор Рам пояснив, що їхні розрахунки передбачили не лише стабільність несподіваних сумішей в умовах Титана, але й спектри світла, які добре збігаються з вимірюваннями NASA. Теоретичний аналіз визначив кілька можливих стабільних кристалічних форм, які, на їхню думку, стабілізуються завдяки дивовижному зростанню сили міжмолекулярних взаємодій у твердому гідроген ціаніді, спричиненому цим змішуванням.
Таке ретельне поєднання теорії та експерименту справило враження на Афіну Кустеніс, планетолога з Паризько-Медонської обсерваторії у Франції. Вона з нетерпінням очікує, як майбутні дані, включаючи ті, що надійдуть від зонда NASA “Драгонфлай”, який має прибути на Титан у 2034 році, доповнять висновки дослідження. Місія “Драгонфлай” – це унікальний роторний літальний апарат, який досліджуватиме різні місця на поверхні Титана, шукаючи докази пребіотичної хімії.
Пані Кустеніс зазначила, що порівняння лабораторних спектрів з майбутніми даними місії “Драгонфлай” може виявити сліди цих твердих речовин на поверхні Титана, надавши уявлення про їхню геологічну роль та потенційну значущість як низькотемпературних пребіотичних середовищ для реакцій. Подальша робота могла б навіть розширити цей підхід на інші молекули, які, ймовірно, генеруються атмосферою Титана, включаючи ціаноацетилен (HC3N), ацетилен (C2H2), гідроген ізоціанід (HNC) та азот (N2). Це дозволить перевірити, чи є таке змішування загальною особливістю органічної хімії Титана.
