Παράξενοι κρύσταλλοι στις λίμνες του Τιτάνα

Ο Τιτάνας (κέντρο) και ο άλλος δορυφόρος Διώνη (δεξιά), περνούν μπροστά από τον Κρόνο και τους δακτυλίους του (φόντο, NASA).

Παράξενοι κρύσταλλοι στις λίμνες του Τιτάνα θα μπορούσαν να παραβιάσουν έναν θεμελιώδη κανόνα της χημείας.

Μια ανακάλυψη σχετικά με τον Τιτάνα, τον δορυφόρο του Κρόνου , αμφισβήτησε αυτό που οι επιστήμονες θεωρούσαν βασικό κανόνα της χημείας.

Εκεί, στο ακραίο κρύο , ορισμένα υποτιθέμενα θεμελιωδώς ασύμβατα μόρια μπορεί να συνδυαστούν για να σχηματίσουν στερεά που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ πριν στο Ηλιακό Σύστημα, σύμφωνα με νέα έρευνα.

Αυτή η εξωγήινη ύλη, σύμφωνα με μια ομάδα με επικεφαλής τον χημικό Fernando Izquierdo-Ruiz του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Chalmers στη Σουηδία, είναι πιθανό να υπάρχει σε αφθονία στον Τιτάνα.

«Αυτά είναι πολύ συναρπαστικά ευρήματα που μπορούν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε κάτι σε πολύ μεγάλη κλίμακα, ένα φεγγάρι [Τιτάνα] τόσο μεγάλο όσο ο πλανήτης Ερμής », λέει ο χημικός Μάρτιν Ραμ του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας Chalmers.

Ο Τιτάνας είναι μια συναρπαστική μικρή γωνιά του Ηλιακού Συστήματος. Οι λίμνες μεθανίου και υδρογονανθράκων του περιέχουν πολύπλοκη χημεία που μοιάζει δελεαστικά με την πρεβιοτική χημεία που απαιτείται για να πυροδοτήσει τη ζωή. Αυτό δεν σημαίνει ότι η ζωή είναι δυνατή εκεί , αλλά προσφέρει μια ευκαιρία για την κατανόηση των συνθηκών υπό τις οποίες θα μπορούσε ενδεχομένως να αναδυθεί η ζωή.

Ένας ιδιαίτερος ακρογωνιαίος λίθος της πρεβιοτικής χημείας είναι το υδροκυάνιο , το οποίο, υπό τις κατάλληλες συνθήκες, σχηματίζει ενώσεις που μπορούν να γίνουν τα δομικά στοιχεία της ζωής, όπως νουκλεοβάσεις και αμινοξέα. Το υδροκυάνιο είναι άφθονο στον Τιτάνα.

Είναι επίσης ένα έντονα πολικό μόριο, με ανομοιόμορφη κατανομή ηλεκτρονίων που του προσδίδει ένα μονόπλευρο φορτίο.

Κατά κανόνα, τα πολικά και τα μη πολικά μόρια - όπως το μεθάνιο και το αιθάνιο στον Τιτάνα - τείνουν να απωθούνται το ένα το άλλο. Απαιτείται περισσότερη ενέργεια για να τα αναγκάσει να έρθουν σε επαφή παρά για να τα κρατήσει μακριά. Αυτός είναι ο ακριβής μηχανισμός που εμποδίζει την ανάμειξη του (πολικού) νερού με το (μη πολικό) πετρέλαιο.

Η έρευνα των ερευνητών σχετικά με την πιθανή συμπεριφορά του υδροκυανίου στον Τιτάνα ξεκίνησε με επιστήμονες στο Εργαστήριο Αεριώθησης της NASA να προσπαθούν να καταλάβουν τι συμβαίνει μετά τον σχηματισμό του μορίου στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα.

Διεξήγαγαν πειράματα σε θερμοκρασίες περίπου -180 βαθμών Κελσίου (-292 Φαρενάιτ), σύμφωνα με τις επιφανειακές θερμοκρασίες στον Τιτάνα. Σε αυτό το ακραίο κρύο, το υδροκυάνιο είναι κρύσταλλος, ενώ το μεθάνιο και το αιθάνιο βρίσκονται σε υγρή μορφή.

Αφού ολοκληρώθηκε το πείραμα και ανέλυσαν τα μείγματα που προέκυψαν, οι ερευνητές της NASA μπορούσαν να καταλάβουν ότι κάτι είχε αλλάξει, αλλά δεν ήταν σίγουροι τι, οπότε στρατολόγησαν τους χημικούς στο Chalmers.

«Αυτό οδήγησε σε μια συναρπαστική θεωρητική και πειραματική συνεργασία μεταξύ του Chalmers και της NASA», λέει ο Rahm . «Το ερώτημα που θέσαμε στον εαυτό μας ήταν λίγο τρελό: Μπορούν οι μετρήσεις να εξηγηθούν από μια κρυσταλλική δομή στην οποία το μεθάνιο ή το αιθάνιο αναμειγνύεται με υδροκυάνιο; Αυτό έρχεται σε αντίθεση με έναν κανόνα στη χημεία, «το όμοιο διαλύεται στο όμοιο», που ουσιαστικά σημαίνει ότι δεν θα έπρεπε να είναι δυνατός ο συνδυασμός αυτών των πολικών και μη πολικών ουσιών».

Οι υπέρυθρες παρατηρήσεις από το διαστημόπλοιο Cassini το 2015 αποκάλυψαν τις λίμνες μεθανίου κάτω από τη θολή ατμόσφαιρα του Τιτάνα. ( NASA/JPL/Πανεπιστήμιο της Αριζόνα/Πανεπιστήμιο του Άινταχο ).

Η πειραματική διάταξη ήταν παρόμοια: ένας θάλαμος ρυθμισμένος σε θερμοκρασία περίπου -180 βαθμών Κελσίου, στον οποίο οι ερευνητές καλλιέργησαν κρυστάλλους υδροκυανίου. Σε αυτό το περιβάλλον, εισήγαγαν μεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιο και βουτάνιο, χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία Raman για να καταγράψουν τον τρόπο με τον οποίο τα μόρια δονούνται.

Κατέγραψαν μικρές, αλλά διακριτές, μετατοπίσεις στις ταλαντώσεις του υδροκυανίου μετά την έκθεση σε μεθάνιο και αιθάνιο - υποδεικνύοντας ότι αυτές οι ασύμβατες ουσίες απλώς δεν κρέμονταν η μία δίπλα στην άλλη, αλλά αλληλεπιδρούσαν.

Οι κατευθύνσεις αυτών των μετατοπίσεων υποδηλώνουν ότι οι δεσμοί υδρογόνου στο υδροκυάνιο ενισχύονταν, κάμπτονταν και τεντώνονταν ελαφρώς από το μεθάνιο και το αιθάνιο.

Στη συνέχεια, η ομάδα στράφηκε στην υπολογιστική μοντελοποίηση για να επιβεβαιώσει τις υποψίες της: Το μεθάνιο και το αιθάνιο είχαν γλιστρήσει ανάμεσα στα κενά στο κρυσταλλικό πλέγμα του υδροκυανίου, συνδυαζόμενα για να σχηματίσουν δομές γνωστές ως συν-κρύσταλλοι που παραμένουν σταθερές σε θερμοκρασίες παρόμοιες με αυτές του Τιτάνα.

Υπό συνθήκες παρόμοιες με αυτές του Τιτάνα, κατέληξαν οι ερευνητές, τα μόρια δεν τρεμοπαίζουν θερμικά με τον τρόπο που το κάνουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες, γεγονός που επέτρεψε στο μεθάνιο και το αιθάνιο να διεισδύσουν στο υδροκυάνιο, δείχνοντας πώς μόρια που συνήθως μισούν το ένα το άλλο μπορούν να αλληλεπιδράσουν και να συνδυαστούν.

«Η ανακάλυψη της απροσδόκητης αλληλεπίδρασης μεταξύ αυτών των ουσιών θα μπορούσε να επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τη γεωλογία του Τιτάνα και τα παράξενα τοπία του με λίμνες, θάλασσες και αμμόλοφους», λέει ο Rahm .

Δυστυχώς, ίσως χρειαστεί να περιμένουμε μερικά χρόνια πριν επιβεβαιωθεί η σημασία αυτής της παράξενης χημείας, καθώς η αναμενόμενη διαστημοσυσκευή Dragonfly δεν αναμένεται να φτάσει στο παράξενο φεγγάρι του Κρόνου μέχρι το 2034.

«Μέχρι τότε, αυτές οι δομές αντιπροσωπεύουν μια ταπεινωτική υπενθύμιση του πόσο εκπληκτική μπορεί να είναι η θεμελιώδης χημεία», γράφουν οι ερευνητές .

Σε μελλοντική εργασία, οι ερευνητές ελπίζουν να ανακαλύψουν ποιες άλλες μη πολικές ουσίες θα μπορούσαν να συνεργαστούν καλά με το υδροκυάνιο, εάν οι συνθήκες είναι οι κατάλληλες.

Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα sciencealert

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών .

https://www.sciencealert.com/bizarre-crystals-in-titans-lakes-could-break-a-fundamental-rule-of-chemistry