8 Minutės
Mokslininkai, tyrinėjantys Saturno palydovą Titaną, nustatė, kad itin žema temperatūra leidžia susiformuoti toks netikėti molekulių ryšiai, kurie įprastomis sąlygomis atrodytų neįmanomi. Nauji laboratoriniai eksperimentai ir kompiuterinės simuliacijos rodo, kad vandenilio cianidas (HCN) — stipriai poliarus junginys — esant Titano sąlygoms gali sudaryti stabilias kietąsias struktūras kartu su nepoliariniais angliavandeniliais, tokiais kaip metanas ir etanas. Jei tai patvirtins papildomi tyrimai, tokie ko‑kristalai paneigtų vieną iš klasikinių cheminių užuominų ir pakeistų mūsų interpretacijas apie Titano kraštovaizdį, ežerų cheminę sudėtį ir prebiotinę chemiją.
Kodėl šis atradimas stebina chemikus
Viena paprasčiausių cheminių taisyklių yra „panašus tirpsta panašiame“: poliarūs junginiai linkę bendrauti tarpusavyje, o nepoliarūs renkasi nepoliarinius partnerius. Ši paprasta taisyklė paaiškina, kodėl vanduo ir aliejus nenori maišytis. Vandenilio cianidas (HCN), poliarus junginys, kurio Titanui nustatyta gausu, pagal šią logiką turėtų išsiskirti iš Titano angliavandenilių ežerų, sudarytų iš metano ir etano.
Vis dėlto Fernando Izquierdo‑Ruiz vadovaujama chemikų grupė (Chalmers technologijos universitetas), kartu su tyrėjais iš NASA Jet Propulsion Laboratory, pateikė eksperimentinių ir teorinių įrodymų, kad maždaug ‑180 °C temperatūroje vandenilio cianido kristalai gali įtraukti metaną ir etaną į savo kristalinę gardelę. Galiausiai tai duoda ko‑kristalus — kietąsias medžiagas, sudarytas iš dviejų ar daugiau skirtingų molekulių rūšių — kurių tradicinė chemija net neprognozuotų.
Tokia išvada kelia platesnių klausimų apie molekulių sąveikas ekstremaliose sąlygose ir apie tai, kiek mūsų įprastos chemijos taisyklės galioja planetinėse aplinkose, kur temperatūra ir slėgis skiriasi nuo Žemės. Šis atradimas taip pat išplečia astrochimikos terminus, leidžiančius aprašyti savitus HCN ir angliavandenilių derinius, kurie galėtų egzistuoti paviršiuose ar net gruntiniuose sluoksniuose.
Kaip atlikti eksperimentai ir modeliavimai
Žemos temperatūros laboratoriniai darbai imituoja Titano paviršių
Tyrėjai, norėdami atkartoti Titano atšiarią aplinką, aušino eksperimentines kameras iki maždaug ‑180 °C (≈ ‑292 °F). Tokiose sąlygose HCN būna kietas, o metanas su etanu lieka skysti. Mokslininkai augino HCN kristalus ir juos eksponavo metanui, etanui, propanui bei butanui, tuo pačiu stebėdami molekulines virpesių charakteristikas Raman spektroskopijos metodu.
Raman spektroskopija leido užfiksuoti subtilius, bet nuoseklius pokyčius HCN vibraciniuose režimuose po sąlyčio su metanu ir etanu — aiškus ženklas, kad angliavandeniliai ne tik dengė paviršių, bet aktyviai sąveikavo su HCN gardele. Stebėti poslinkiai vibracinėse juostose rodė, kad hidrošėlinės jungtys HCN struktūroje buvo šiek tiek lenktos arba stiprinamos „svečio“ molekulių poveikio, kas atitinka tarpmolekulinių sąveikų pakeitimus kietojoje fazėje.
Laboratorijoje taip pat buvo tiriamas ko‑kristalų formavimosi kinetika: mokslininkai stebėjo, kaip greitai molekulės infiltruoja kristalinę gardelę, ar procesas yra grįžtamas, ir ar ko‑kristalai išlaiko struktūrą esant mažiems temperatūros svyravimams. Šie praktiniai duomenys padeda suvokti, ar tokios fazės gali susidaryti natūraliose planetinėse aplinkose arba ar jų reikia specialioms kondensacijos sąlygoms išlaikyti.
Be to, atlikti papildomi spektroskopiniai bandymai, naudoti skirtingi spektroskopijos diapazonai (infraraudonųjų spindulių, UV‑vis), kad būtų galima išsamiau apibrėžti optines savybes — svarbu tolimesnėms teleskopinėms ir orbitalinėms stebėjimų interpretacijoms.
Kompiuterinės simuliacijos patvirtina mechanizmą
Papildomai atliekami kompiuteriniai cheminiai modeliavimai sprendė, kaip molekulės elgiasi esant beveik absoliučiai šalčiai. Titano tipo temperatūrose terminis judėjimas yra labai sulėtėjęs, todėl trumpalaikės spragos HCN kristale gali būti pakankamos mažoms nepolarioms molekulėms įsiskverbti į tarpus tarp kristalinės gardelės elementų. Simuliacijos parodė stabilius ko‑kristalinius išdėstymus, kur metanas ir etanas užima intersticinius tarpus ir sudaro užsakytas kietąsias fazes kartu su HCN — energetiškai palankias Titano sąlygomis.
Skaitmeniniuose modeliuose buvo įvertinti tarpmolekuliniai potencialai, van der Waals jėgos ir elektrostatinės sąveikos, taip pat entalpijos ir entropijos pokyčiai, susiję su ko‑kristalizacija. Tokie energetiniai skaičiavimai leido nuspėti, kurių molekulių kombinacijos yra tvaresnės ir kuriose temperatūros‑slėgio ribose ko‑kristalai susidarys natūraliai.
Aiškiai parodant stabilias energines gardeles, kompiuteriniai rezultatai atitiko eksperimentinius Raman duomenis — taip buvo sujungtos dvi nepriklausomos tyrimo kryptys ir sustiprintos išvados apie Titano režimuose galimus kietuosius junginius.
Ką tai reiškia Titanui ir astrobiologijai
Šie rezultatai verčia peržiūrėti, kaip mokslininkai interpretuoja radarinius ir infraraudonųjų spindulių stebėjimus Titano paviršiaus. HCN ir angliavandenilių ko‑kristalai turėtų turėti savitas fizines savybes — tankį, atspindį, mechaninį stiprumą — kurios gali daryti įtaką ežerų chemijai, kranto procesams ir kopagūbrų formavimuisi. Cassini misija jau parodė, kad Titano hidrokarbonų jūros yra turtingos ir įvairios; prie šio vaizdo pridėjus anksčiau nežinomas kietąsias fazes, gaunama dar sudėtingesnė ir įdomesnė panorama.
Už geologinių pasekmių ribų vandenilio cianidas yra svarbus daugeliui prebiotinės chemijos takų Žemėje ir laboratoriniuose eksperimentuose: tinkamomis sąlygomis jis gali virsti nukleobazėmis ir aminorūgščių pirmtakais. Jei HCN yra užkoduotas į kietąsias fazes kartu su metanu ir etanu, jo prieinamumas ir reaktyvumas Titano paviršiuje bei netoli jo gali skirtis nuo to, ką dabartiniai modeliai numato — kas turi pasekmių cheminei evoliucijai šaltuose planetiniuose kūnuose.
Todėl astrobiologai ir astrochemikai turėtų atsižvelgti į galimybę, kad prebiotinės reakcijos Titane gali vykti ne tik skystyje ar atmosferoje, bet ir kietose kompozicinėse fazėse. Tai plečia hipotezes apie organinių molekulių kaupimąsi, koncentruotumą ir ilgalaikį stabilumą ekstremaliose šaltose aplinkose.
Infraraudonųjų spindulių stebėjimai, atlikti Cassini zondas 2015 metais, atskleidė metano ežerus po Titano miglotu atmosferos sluoksniu. (NASA/JPL/University of Arizona/University of Idaho)
Pasekmės būsimoms misijoms ir matavimams
NASA „Dragonfly“ rotorinis eksperimentinis aparatas — numatytas atvykti 2030‑ųjų pradžioje — tyrinės Titano cheminę sudėtį vietoje. Iki tol laboratoriniai darbai ir nuotoliniai stebėjimai turi formuoti lūkesčius. Jei ko‑kristalai yra paplitę, instrumentai, skirti tirti paviršiaus sudėtį, šiluminę inerciją ir dielektrines savybes, turėtų būti peržiūrėti, kad galėtų atpažinti netikėtas kietąsias fazes.
Praktiškai ko‑kristalinės fazės galėtų pakeisti medžiagų atsaką į mechaninį krūvį (tai turėtų įtakos kopagūbrų mobilumui arba kopagūbrų stabilumui), arba jų optines savybes infraraudonajame diapazone (kas keistų spektrų interpretacijas). Nuotoliniai stebėjimai, dabar priskiriantys tam tikrus spektrinius ženklus paprastoms ledinėms ar organinėms nuosėdoms, gali reikalauti persvarstymo, jei dalis signalų kyla dėl sudėtinių HCN‑angliavandenilių kietųjų fazių.
Be to, in situ misijos turėtų planuoti analitinius metodus, gebančius atskirti paprastus kietuosius ledus nuo ko‑kristalinių junginių. Tai reiškia: micro‑Raman, lazerinė spektroskopija, dielektrinės matavimo priemonės ir mechaniniai bandymai, kurie galėtų patvirtinti ko‑kristalų buvimą ir jų gausą.
Eksperto įžvalga
„Dažnai mokome chemines taisykles lyg jos būtų gamtos įstatymai, bet Titanas primena, kad aplinka lemia daug,“ sako dr. Anika Moreno, planetų chemikė, nedalyvavusi tyrime. „Esant ‑180 °C molekulės juda itin lėtai, todėl gali susiformuoti netikėtos struktūros. Šie ko‑kristalai parodo, kaip planetarinės sąlygos gali atrakinti cheminių sąveikų repertuarą, kurio paprastai nematome Žemėje. Misijų planuotojams tai signalas kurti instrumentus, jautrius netikėtoms kietosioms fazėms.“
Tokia ekspertų nuomonė pabrėžia, kad šis atradimas nėra tik laboratorinė kuriozė — jis gali turėti praktinių pasekmių misijų dizainui ir mokslinių hipotezių formulavimui. Dr. Moreno taip pat atkreipia dėmesį į reikšmingą tarpdisciplininį aspektą: derinant chemiją, planetų geologiją ir instrumentų inžineriją galima paruošti geresnes priemones Titano tyrimams.
Kiti žingsniai ir atviri klausimai
Tyrimų grupė planuoja išplėsti eksperimentus į kitas angliavandenilių rūšis ir nitrilus, žemėlapiuoti, kurios kombinacijos formuoja stabilias ko‑kristalines fazes skirtingose temperatūrose ir slėgiuose. Atviri klausimai apima tokių fazių gausumą Titane, jų susidarymo ir išlikimo mechanizmus natūralioje aplinkoje bei tai, ar sezoniniai ar meteorologiniai procesai gali jas mobilizuoti ar suirti.
Taip pat svarbu suprasti laiko mastą: ar ko‑kristalai kaupiasi lėtai per geologinius laikotarpius, ar jie gali susidaryti greitai, pvz., staigiai atšalus atmosferos sluoksniui ar vietinei temperatūrai? Ar juos gali paveikti krintantys meteorai, bangavimo procesai ežeruose ar garavimo‑kondensacijos ciklai? Atsakymai į šiuos klausimus reikalingi, kad nustatytume, kur Titane galime tikėtis rasti tokias fazes — krantuose, pelkėse ar sekliose įdubose.
Kol kas atradimas yra ryškus pavyzdys, kaip pažįstama cheminė taisyklė gali būti „sulenkiama“ svetimoje aplinkoje. Kaip teigia tyrėjai, tokios struktūros yra „nuolankus priminimas, kokia netikėta gali būti fundamentali chemija.“ Su „Dragonfly“ ir tolimesniais laboratoriniais darbais horizonte, Titano ežerai ir krantai išlieka turtinga atradimų erdvė chemijos, geologijos ir gyvybės pirmtakų paieškai.
Galutinės patikros reikia plačiai tarptautinei bendradarbiavimo komandai: laboratorijų pasikartojamumo, papildomų spektrinių matavimų ir planuojamų in situ instrumentų parengimo. Tokia koordinacija pagerintų mūsų galimybes ne tik patvirtinti ko‑kristalų egzistavimą, bet ir įvertinti jų reikšmę Titano planetarinei sistemai bei platesnei astrobiologijos sričiai.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą