На Титане обнаружены кристаллы, бросающие вызов фундаментальному правилу химии

Открытие, связанное со спутником Сатурна Титаном, поставило под сомнение то, что ученые считали фундаментальным правилом химии. Новое исследование предполагает, что в экстремальном холоде некоторые молекулы, считавшиеся принципиально несовместимыми, могут объединяться, образуя твердые вещества, которые ранее никогда не наблюдались в Солнечной системе. Согласно работе группы химиков под руководством Фернандо Искьердо-Руиса из Технологического университета Чалмерса в Швеции, эта чуждая материя, вероятно, широко распространена на Титане.

Титан представляет собой захватывающий уголок Солнечной системы. Его озера, наполненные метаном и углеводородами, содержат сложную химию, удивительно близкую к пребиотической, необходимой для возникновения жизни. Это не означает, что жизнь там возможна, но предоставляет возможность понять условия, в которых она потенциально могла бы зародиться. Особую роль в пребиотической химии играет цианистый водород, который в определенных условиях образует соединения, способные стать строительными блоками жизни, такие как нуклеобазы и аминокислоты. Цианистый водород в изобилии присутствует на Титане.

Как правило, полярные и неполярные молекулы, такие как метан и этан на Титане, отталкиваются друг от друга. Исследование вероятного поведения цианистого водорода на Титане началось с экспериментов ученых из Лаборатории реактивного движения NASA, которые попытались выяснить, что происходит с молекулой после ее формирования в атмосфере спутника. Они проводили опыты при температурах около -180 градусов по Цельсию, что соответствует условиям на поверхности Титана. В таком экстремальном холоде цианистый водород представляет собой кристалл, в то время как метан и этан находятся в жидкой форме.

После проведения эксперимента и анализа полученных смесей исследователи из NASA заметили изменения, но не были уверены в их природе, поэтому привлекли к работе коллег из Чалмерса. Экспериментальная установка повторила условия: камеру охладили до температуры около -180 градусов по Цельсию, где были выращены кристаллы цианистого водорода. В эту среду вводились метан, этан, пропан и бутан, а с помощью рамановской спектроскопии фиксировались колебания молекул. Были зарегистрированы небольшие, но отчетливые сдвиги в колебаниях цианистого водорода после воздействия метана и этана, что указывало на взаимодействие этих несовместимых веществ.

Направление этих сдвигов позволило предположить, что водородные связи в цианистом водороде слегка усиливались, изгибались и растягивались под воздействием метана и этана. Затем команда подтвердила свои подозрения с помощью компьютерного моделирования: метан и этан проникали в промежутки кристаллической решетки цианистого водорода, объединяясь и формируя стабильные при температурах Титана структуры, известные как со-кристаллы. В условиях, похожих на титанианские, молекулы не совершают интенсивных тепловых колебаний, как при более высоких температурах, что и позволило метану и этану проникнуть в структуру цианистого водорода, демонстрируя, как молекулы, которые обычно «отталкиваются», могут взаимодействовать и объединяться.

Это открытие неожиданного взаимодействия между веществами может повлиять на понимание геологии Титана и его странных ландшафтов, состоящих из озер, морей и песчаных дюн. К сожалению, возможно, придется ждать несколько лет, прежде чем значимость этой причудливой химии будет подтверждена, поскольку ожидается, что зонд «Dragonfly» совершит посадку на странном спутнике Сатурна не раньше 2034 года. До тех пор эти структуры служат смиренным напоминанием о том, насколько удивительной может быть фундаментальная химия. В будущих работах исследователи надеются выяснить, какие другие неполярные вещества могут взаимодействовать с цианистым водородом в подходящих условиях.