Вчені зробили відкриття, яке може змінити наше уявлення про хімію на найбільшій місяці Сатурна — Титані. Дослідження показали, що заморожені кристали ціаністого водню можуть взаємодіяти з рідкими вуглеводнями, що суперечить традиційним уявленням про хімічні реакції в екстремальний умовах цієї канадської атмосфери.
Експерименти, проведені в Лабораторії реактивного руху NASA в Каліфорнії, виявили, що рідкі етан і метан, які заповнюють озера та моря Титана, можуть змішуватися з замороженими кристалами ціаністого водню, що знаходяться при температурі близько -179 градусів за Цельсієм.
Ціаністий водень відноситься до полярних молекул, що означає, що він має позитивно заряджену і негативно заряджену сторони, що робить його схильним до з’єднання з іншими полярними молекулами. На контрасті, метан і етан є неполярними молекулами з симетричною електричною зарядкою — це як олія, що залишається окремо від води.
Реакція ціаністого водню на Титані відбувається у його атмосфері під впливом ультрафіолетового світла, яке розбиває вуглеводні, перетворюючи їх на інші молекули. Дослідники мерали, що відбувається з ціаністим воднем після його утворення, і, провівши лабораторні експерименти при температурі -180 градусів за Цельсієм, отримали несподівані результати, які не могли пояснити.
Тоді дослідники звернулися до хіміка Мартіна Рахма, чия команда в Шведському університеті технологій Чалмерса мала досвід роботи з ціаністим воднем при низьких температурах. “Це призвело до захоплюючої теоретичної та експериментальної співпраці між Чалмерсом та NASA,” — зазначив Рахм. “Ми запитали, чи можуть ці результати бути пояснені кристалічною структурою, в якій метан або етан змішуються з ціаністим воднем, попри відомий закон хімії, згідно з яким ‘похоже розчиняється в подібному’, що означає, що ця комбінація, як правило, не можлива.”
Комп’ютерні симуляції Рахма виявили, що метан і етан здатні проникати в кристалічну решітку замороженого ціаністого водню, утворюючи нову стабільну структуру, яка отримала назву “ко-кристал”. “Це може відбуватися при дуже низьких температурах, подібних до тих, що існують на Титані,” — додав Рахм. “Наші обчислення показали, що ці несподівані суміші стабільні за умов Титана, і спектри світла, які ми отримали, добре збігаються з вимірюваннями NASA.”
Титан є єдиною місяцем у Сонячній системі, що має розвинену атмосферу, а його вуглеводнева хімія нагадує примітивний розчин, про який вважається, що він існував на Землі до початку життя. Хоча низькі температури Титана, здавалося б, заважають хімічним реакціям, що можуть призвести до життя, його астробіологічна значимість залишається високою, оскільки він надає уявлення про те, якими могли бути молекулярні запаси на ранній Землі.
Ціаністий водень, хоч і токсичний для життя, є однією з основних складових амінокислот — будівельних блоків білків, а також нуклеобаз у ДНК та РНК. “Ціаністий водень присутній у багатьох частинах Всесвіту, наприклад, у великих пилових хмарах, в атмосфері планет та в кометах,” — зазначив Рахм. “Наше дослідження може допомогти зрозуміти, що відбувається в інших холодних умовах космосу та чи можуть інші неполярні молекули також увійти до кристалів ціаністого водню.”
Отже, результати дослідження вказують на ще глибші взаємозв’язки між атмосферою Титана, його замороженою поверхнею та рідкими метаном і етаном, ніж вважалося раніше. У 2034 році космічний апарат NASA “Dragonfly” відвідає Титан, досліджуючи поверхню та зразки матеріалів, включаючи крижані зразки ціаністого водню, де зможе підтвердити нові результати та вивчити ще складнішу хімію.
Результати дослідження були опубліковані у журналі PNAS.