پژوهشگران با شبیهسازی شرایط محیطی قمر تایتان (قمر زحل) در آزمایشگاه موفق شدهاند یکی از قوانین دیرینه شیمی را به چالش بکشند. آنها نشان دادند که در دمای فوقالعاده سرد حدود منفی ۱۷۹ درجه سانتیگراد، مولکولهای بهشدت قطبی هیدروژن سیانید (HCN) میتوانند مولکولهای غیرقطبی متان و اتان را در ساختار بلوری خود بپذیرند و ترکیبهای پایداری ایجاد کنند. این پدیده، استثنایی غیرمنتظره بر قاعده معروف «شبیه، شبیه را حل میکند» به شمار میرود.
در علم شیمی معمولاً مواد قطبی با همنوعان خود و ترکیبات غیرقطبی نیز با مواد غیرقطبی پیوند برقرار میکنند. با این حال، دانشمندان آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) با همکاری پژوهشگران دانشگاه فناوری چالمرز در سوئد، خلاف این موضوع را در محیط شبیهسازیشده تایتان به اثبات رساندند. طبق یافتههای این گروه که در پژوهش منتشرشده در نشریه PNAS گزارش شده است، این پدیده نوعی مخلوطشدن در دمای کرایوژنیک (فوقسرد) است که ثابت میکند عدم تطابق قطبی شدید همواره مانع از اشتراک ساختار جامد دو ماده نمیشود.
تیم جیپیال در این آزمایش ابتدا گاز هیدروژن سیانید را روی یک بستر کرایوژنیک رسوب داده و پس از بازپخت در دمای ۱۵۰ کلوین، آن را سرد کردند. در ادامه، متان در دمای ۷۷ کلوین یا هیدروکربنهای بزرگتر مانند اتان در دمای ۹۰ کلوین به محیط افزوده شدند. بر اساس گزارش دانشگاه چالمرز از این همکاری، آزمایش در دماهایی مانند ۹۰ کلوین شباهت زیادی به محیط واقعی تایتان دارد. بررسی نمونهها با روش طیفسنجی رامان نشان داد که هیدروکربنها بدون واکنش شیمیایی، در فضاهای خالی شبکه بلوری هیدروژن سیانید جای گرفتهاند. برای تایید این موضوع، تیم محاسباتی دانشگاه چالمرز نزدیک به ۹۷۶۰ آرایش مولکولی مختلف را شبیهسازی کرد و پایداری این همبلورها را به اثبات رساند.
اگرچه هر دو گاز متان و اتان با هیدروژن سیانید تعامل داشتند، اما رفتار حرارتی آنها متفاوت بود. ویژگیهای طیفی پیوند متان-HCN با گرم شدن نمونه به بالای ۸۵ کلوین به سرعت تضعیف شد. از آنجا که دمای سطح تایتان معمولاً بین ۹۰ تا ۹۴ کلوین است، احتمال وجود همبلور متان بیشتر در لایههای سردتر اتمسفر این قمر مطرح است. در مقابل، اتان پایداری بسیار بیشتری از خود نشان داد و کاندیدای قویتری برای سطح قمر است. پیش از این، مأموریت کاسینی-هویگنس دریاچهها و دریاهایی از متان و اتان را در این قمر آشکار کرد و بستر مناسبی را برای وقوع چنین تعاملاتی معرفی کرده بود.
این دستاورد علمی فراتر از جنبههای تئوریک، میتواند زمینشناسی تایتان را دگرگون کند. این بلورهای مخلوط که با نام کریومینرال (سرماسنگ) شناخته میشوند، در شکلگیری پدیدههایی نظیر تپههای شن روان، رسوبات تبخیری و فرسایش سطحی تایتان نقش دارند. پیش از این، یک بررسی انجمن شیمی آمریکا درباره همبلورهای آلی تایتان نشان داده بود که این همبلورها چگونه ساختار سطحی این قمر را تغییر میدهند. همچنین نمونههای دیگری از این مواد مانند همبلور ساختهشده از استیلن و بوتان پیشتر در آزمایشگاه سنتز شده بود. علاوه بر این، هیدروژن سیانید به عنوان یک پیشساز مهم در شیمی پیشزیستی و تولید اسیدهای آمینه شناخته میشود و بررسی پایداری آن به درک بهتر روند تکامل شیمیایی کمک خواهد کرد.
چشمانداز تحقیقات آینده
شناخت این ساختارهای بلوری به تحلیل دادههای ارسالی از مأموریتهای فضایی کمک شایانی خواهد کرد. برای نمونه، مأموریت بالگرد دراگونفلای ناسا در آینده وظیفه نمونهبرداری از مواد سطحی تایتان و ارزیابی زیستپذیری آن را بر عهده خواهد داشت. این آزمایشها یادآور میشوند که قوانین شیمی آموختهشده در محیطهای معتدل زمین، ممکن است در دماهای کرایوژنیک کیهانی دستخوش تغییرات بزرگی شوند و مواد ناهمساز را به شکلی پایدار در کنار یکدیگر بنشانند.
