Οι συνθήκες στο δορυφόρο του Κρόνου καταρρίπτουν θεμελιώδεις νόμους της Χημείας.
Οι παγωμένες συνθήκες στην επιφάνεια του μεγαλύτερου φεγγαριού του Κρόνου, του Τιτάνα, επιτρέπουν σε απλά μόρια στην ατμόσφαιρά του να παραβιάσουν έναν από τους πιο θεμελιώδεις κανόνες της χημείας σύμφωνα με νέα μελέτη.
Σύμφωνα με αυτήν την αρχή γνωστή ως «το όμοιο διαλύει το όμοιο», τα μίγματα που περιέχουν τόσο πολικά όσο και μη πολικά συστατικά όπως το λάδι ή πετρέλαιο και το νερό συνήθως δεν αναμειγνύονται αλλά σχηματίζουν ξεχωριστές στρώσεις.
Ωστόσο επιστήμονες από το Εργαστήριο Αεριώθησης της NASA (το περίφημο JPL) και το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Chalmers στη Σουηδία ανακάλυψαν με έκπληξη ότι το πολικό μόριο του κυανιούχου υδρογόνου σχηματίζει ένα συνεκρυστάλλωμα με τα εξαιρετικά μη πολικά υδρογονάνθρακες μεθάνιο και αιθάνιο στην παγωμένη επιφάνεια του Τιτάνα. Πρόκειται για μόρια που υπό κανονικές γήινες συνθήκες είναι απολύτως ασύμβατα.
Ένα συνεκρυστάλλωμα (co-crystal) είναι ένα κρυσταλλικό στερεό που αποτελείται από δύο ή περισσότερες διαφορετικές μοριακές ή ιοντικές ενώσεις σε καθορισμένο στοιχειομετρικό λόγο οι οποίες συγκρατούνται μεταξύ τους με μη ομοιοπολικούς δεσμού όπως δεσμούς υδρογόνου.
«Αυτό έρχεται σε αντίθεση με έναν θεμελιώδη κανόνα της χημείας, το ‘όμοιο διαλύει το όμοιο’, που σημαίνει ότι δεν θα έπρεπε να είναι δυνατόν να συνδυαστούν αυτές οι πολικές και μη πολικές ουσίες», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Μάρτιν Ραμ, αναπληρωτής καθηγητής χημείας, βιοχημείας και χημικής μηχανικής στο Chalmers. Η νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση «PNAS» αμφισβητεί έναν παγιωμένο πυλώνα της χημείας και θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για την ανακάλυψη πιο «εξωτικών» στερεών δομών σε όλο το ηλιακό σύστημα.
Αναπαράγοντας την επιφάνεια του Τιτάνα
Ο Τιτάνας αποτελεί σταθερό στόχο μελετών επειδή σύμφωνα με τους επιστήμονες οι συνθήκες στην επιφάνεια και την ατμόσφαιρα προσομοιάζουν αυτές της πρώιμης Γης γεγονός που μας επιτρέπει να εντοπίζουμε στοιχεία που δείχνουν τη γεωατμοσφαιρική εξέλιξη του πλανήτη μας.
Η ατμόσφαιρά του Τιτάνα περιέχει υψηλά επίπεδα αζώτου και απλών υδρογονανθράκων, όπως μεθάνιο και αιθάνιο, τα οποία κυκλοφορούν μέσα σε ένα τοπικό καιρικό σύστημα, παρόμοιο με τον υδρολογικό κύκλο της Γης. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, οι ερευνητές δεν ήξεραν τι συμβαίνει με το κυανιούχο υδρογόνο που παράγεται από αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα. Εναποτίθεται ως στερεό στην επιφάνεια; Αντιδρά με το περιβάλλον; Ή μπορεί να μετατρέπεται στα πρώτα μόρια της ζωής;
Για να διερευνήσει αυτά τα ερωτήματα η ερευνητική ομάδα της NASA αναπαρήγαγε τις συνθήκες της επιφάνειας του Τιτάνα συνδυάζοντας μίγματα μεθανίου, αιθανίου και κυανιούχου υδρογόνου σε θερμοκρασίες γύρω στους –183 βαθμούς Κελσίου. Η φασματοσκοπική ανάλυση που μελετά πώς τα χημικά αντιδρούν με διαφορετικά μήκη κύματος φωτός, αποκάλυψε απρόσμενα αποτελέσματα: τα αντίθετα αυτά μόρια φαίνονταν να αλληλεπιδρούν πολύ πιο στενά απ’ ό,τι είχε παρατηρηθεί ποτέ. Φάνηκε ότι τα μόρια των μη πολικών υδρογονανθράκων εισχωρούσαν στα κενά του στερεού πλέγματος του κυανιούχου υδρογόνου μια διαδικασία γνωστή ως διαστρωμάτωση (intercalation) σχηματίζοντας έναν ανορθόδοξο συνεκρύσταλλωμα που περιέχει και τα δύο είδη μορίων.
Γιατί αυτό είναι τόσο παράξενο
Κανονικά, τα πολικά και μη πολικά μόρια δεν αναμειγνύονται. Τα πολικά, όπως το νερό και το πολικό μόριο του κυανιούχου υδρογόνου, έχουν ανισομερή κατανομή φορτίου δηλαδή περιοχές με ελαφρώς θετικό και ελαφρώς αρνητικό φορτίο που έλκονται μεταξύ τους. Αντίθετα τα μη πολικά, όπως το μεθάνιο, έχουν συμμετρική κατανομή φορτίου και αλληλεπιδρούν ελάχιστα μεταξύ τους ή καθόλου με πολικά μόρια. Έτσι, μείγματα όπως το λάδι και το νερό σχηματίζουν πάντα ξεχωριστά στρώματα.
Για να εξηγήσουν αυτές τις παράξενες παρατηρήσεις η ομάδα της NASA συνεργάστηκε με τους επιστήμονες του Chalmers ώστε να μοντελοποιήσουν εκατοντάδες πιθανές συνεκρυσταλλικές δομές αξιολογώντας τη σταθερότητά τους στις συνθήκες του Τιτάνα. «Οι υπολογισμοί μας έδειξαν ότι τα απροσδόκητα αυτά μίγματα είναι σταθερά υπό τις συνθήκες του Τιτάνα και τα φάσματά τους ταιριάζουν με τις μετρήσεις της NASA», εξήγησε ο Ραμ.
Η θεωρητική ανάλυση αποκάλυψε αρκετές σταθερές μορφές κρυστάλλων που φαίνεται να σταθεροποιούνται χάρη σε μια ενίσχυση των διαμοριακών δυνάμεων μέσα στο στερεό πολικό μόριο του κυανιούχου υδρογόνου λόγω της ανάμειξης.
Η μελέτη εντυπωσίασε την διακεκριμένη Ελληνίδα επιστήμονα Αθηνά Κουστένη η οποία δήλωσε ενθουσιασμένη για το πώς τα μελλοντικά δεδομένα, ιδίως από την αποστολή Dragonfly της NASA (προγραμματισμένη να φτάσει στον Τιτάνα το 2034) θα μπορούσαν να επιβεβαιώσουν τα ευρήματα.
«Η σύγκριση των εργαστηριακών φασμάτων με τα δεδομένα του Dragonfly μπορεί να αποκαλύψει ίχνη αυτών των στερεών στην επιφάνεια του Τιτάνα, προσφέροντας πληροφορίες για τον γεωλογικό τους ρόλο και τη σημασία τους ως πιθανών περιβαλλόντων προ-βιοτικής χημείας σε χαμηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, τόνισε ότι η μέθοδος αυτή θα μπορούσε να επεκταθεί σε άλλα μόρια που πιθανόν παράγονται στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα, όπως το κυανοακετυλένιο, το ακετυλένιο, το ισοκυανιούχο υδρογόνο και το άζωτο. Αυτό θα δείξει αν η παράξενη αυτή ανάμειξη είναι γενικό χαρακτηριστικό της οργανικής χημείας του Τιτάνα» δήλωσε στο Live Science η Αθηνά Κουστένη, αστροφυσικός στο Αστεροσκοπείο του Παρισιού, Διευθύντρια Ερευνών στο Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών της Γαλλίας (CNRS) η οποία είναι από τους πλέον καταξιωμένους διεθνώς επιστήμονες στη μελέτη των εξωτερικών πλανητών και των δορυφόρων τους στο ηλιακό μας σύστημα.
