A Svédországi Chalmers Műszaki Egyetem kutatóinak legújabb eredményei forradalmi változásokat hozhatnak a kémia alapelveinek megértésében. Egy olyan felfedezésről van szó, amely a Szaturnusz legnagyobb holdján, Titánon történt, és amely megkérdőjelezi azt az eddig elfogadott szabályt, hogy a poláris és apoláris molekulák nem képesek szilárd anyagokat alkotni együtt.
Miért különleges Titán?
Titán egy igazán különleges hely a Naprendszerben. Ez a hold, amely méretében megközelíti a Merkúrt, folyékony metánból és egyéb szénhidrogénekből álló tavakkal rendelkezik, amelyekben komplex kémiai folyamatok zajlanak. Ezek a folyamatok közel állnak ahhoz az előéletkémiai (prebiotikus) kémiai állapothoz, amely szükséges lehet az élet kialakulásához.
Fontos azonban hangsúlyozni, hogy ez nem jelenti azt, hogy élet létezik Titánon, csupán azt, hogy megértésünk bővülhet arról, milyen körülmények között indulhat el az élet kialakulása.
A hidrogén-cianid szerepe az előéletkémiai folyamatokban
A hidrogén-cianid (HCN) kulcsfontosságú molekula az előéletkémia szempontjából. Megfelelő körülmények között olyan vegyületeket képezhet, amelyek az élet építőkövei lehetnek, például nukleobázisokat és aminosavakat. Titán légkörében bőségesen megtalálható ez a molekula.
Érdekességként: A hidrogén-cianid erősen poláris molekula, ami azt jelenti, hogy elektroneloszlása nem egyenletes, így töltéseloszlása is aszimmetrikus.
A poláris és apoláris molekulák közötti ellentét
Általános kémiai szabály szerint a poláris és apoláris molekulák – mint például a hidrogén-cianid és a Titánon található metán vagy etán – nem keverednek egymással könnyen. Ez azért van így, mert több energiába kerül őket összekapcsolni, mint különválasztani. Ez az elv magyarázza például azt is, hogy miért nem keveredik össze a víz (poláris) az olajjal (apoláris).
Kísérleti vizsgálatok extrém hideg körülmények között
A NASA Jet Propulsion Laboratory kutatói arra voltak kíváncsiak, mi történik a hidrogén-cianiddal Titán légkörében kialakulása után. Kísérleteiket -180 °C körüli hőmérsékleten végezték el – ez megfelel Titán felszíni hőmérsékletének.
- Ezen extrém hideg körülmények között a hidrogén-cianid kristályos formában van.
- Ezzel szemben a metán és etán folyékony halmazállapotú marad.
A kísérlet végén a kutatók megfigyeltek valamilyen változást az anyagokban, de nem tudták pontosan meghatározni annak természetét. Ezért bevonták a svéd Chalmers Műszaki Egyetem kémikusait.
Elméleti és kísérleti együttműködés: Chalmers és NASA
A Chalmers kutatóival közösen vizsgálták meg azt az elképzelést, hogy vajon lehetséges-e olyan kristályszerkezet létrejötte, amelyben metán vagy etán keveredik hidrogén-cianiddal. Ez ellentmond annak az általános kémiai szabálynak, miszerint „hasonló oldja a hasonlót”, vagyis poláris és apoláris anyagok nem képesek stabil vegyületeket alkotni.
Kísérleti módszerek és eredmények
A kutatók egy -180 °C-ra lehűtött kamrában növesztettek hidrogén-cianid kristályokat. Ebbe bevezették a metánt, etánt, propánt és butánt, majd Raman-spektroszkópiával vizsgálták a molekulák rezgéseit.
- Kisebb, de jól mérhető eltolódásokat tapasztaltak a hidrogén-cianid rezgéseiben metán és etán jelenlétében.
- Ez arra utalt, hogy ezek az anyagok nem csupán egymás mellett helyezkednek el passzívan, hanem kölcsönhatásba lépnek egymással.
- A rezgéseltolódások irányából arra következtettek, hogy a hidrogénkötések megerősödnek és módosulnak metán és etán hatására.
Számítógépes modellezés igazolja az együttlétezést
A számítógépes szimulációk megerősítették azt az elképzelést, hogy metán és etán be tud hatolni a hidrogén-cianid kristályszerkezetének réseibe. Így ún. ko-kristályok jönnek létre – olyan stabil szerkezetek, amelyek Titánra jellemző hőmérsékleten is fennmaradnak.
Molekulák különös tánca extrém hidegben
Titánszerű körülmények között a molekulák nem mozognak annyira termikusan – vagyis kevésbé „rezegnek” –, mint magasabb hőmérsékleten. Ez lehetővé teszi azt az eddig elképzelhetetlen jelenséget, hogy poláris és apoláris molekulák képesek legyenek együtt stabil szerkezeteket alkotni.
Jelentőségük Titan geológiájának megértésében
Martin Rahm kémikus szerint ez az újonnan felfedezett kölcsönhatás segíthet jobban megérteni Titán geológiai sajátosságait – különösen annak furcsa tájait: tavakat, tengereket és homokdűnéket.
Kitekintés: A Dragonfly küldetés várható hatása
Bár izgalmasak ezek az eredmények, további megerősítésre várnak. A NASA Dragonfly nevű küldetése várhatóan csak 2034-ben érkezik meg Titánra. Addig is ezek az új ko-kristályok emlékeztetnek minket arra, milyen meglepetéseket tartogat még számunkra az alapvető kémia ismereteinek bővítése.
További kutatási irányok
A jövőbeni vizsgálatok célja annak feltárása lesz, hogy más apoláris anyagok is képesek-e hasonló módon együttműködni hidrogén-cianiddal megfelelő körülmények között. Ez tovább mélyítheti tudásunkat arról, milyen vegyületek alakulhatnak ki extrém égitesteken.
Összegzés
Az új kutatás jelentős áttörést hozott abban a kérdésben, hogyan viselkednek bizonyos molekulák extrém hideg környezetben. A Svédországban végzett elméleti és kísérleti munka bizonyította, hogy Titán jeges felszínén olyan ko-kristályok alakulhatnak ki poláris hidrogén-cianidból és apoláris szénhidrogénekből (metánból és etánból), amelyek korábban soha nem voltak ismertté válva sem itt a Földön sem pedig más égitesteken.
Forrás: Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)