تحقیقات جدید نشان میدهد که در شرایط سرمای شدید قمر زحل، تیتان، مولکولهایی که از نظر شیمیایی انتظار نمیرود با هم ترکیب شوند، میتوانند ساختارهای جامد مشترکی را تشکیل دهند. این یافته میتواند پیامدهای مهمی برای درک زمینشناسی و شیمی پیش از حیات در این قمر داشته باشد.
تیتان، بزرگترین قمر زحل، به دلیل داشتن رودخانهها، دریاچهها، اقیانوسها، ابرها و باران، به عنوان یک استثنای شیمیایی در منظومه شمسی شناخته میشود. با این حال، مایعات موجود در سطح آن آب نیستند، بلکه متان و اتان هستند که در دماهای بسیار پایین تیتان، رفتاری شبیه به آب در زمین دارند.
مطالعه اخیر که ترکیبی از آزمایشهای آزمایشگاهی و محاسبات کامپیوتری است، نشان داده که مولکولهای قطبی مانند هیدروژن سیانید (HCN) و مولکولهای غیرقطبی مانند متان و اتان، که معمولاً در دماهای معمولی از یکدیگر جدا میشوند (مانند آب و روغن)، میتوانند در شرایط تیتان، یعنی در دمای حدود ۹۰ کلوین (منفی ۱۸۳ درجه سانتیگراد)، بلورهای مشترک یا محلولهای جامد پایداری را تشکیل دهند.
این پدیده، که hydrogen cyanide can form crystals with completely nonpolar substances such as methane and ethane، یک استثنا بر قاعده کلی «مانند، مانند را حل میکند» است، زیرا مولکولهای قطبی و غیرقطبی معمولاً به طور خود به خودی با هم مخلوط نمیشوند. این یافته، که در مجله PNAS منتشر شده است، نشان میدهد که hydrogen cyanide and small hydrocarbons can mix under Titan-relevant cryogenic conditions و ساختارهای جامد جدیدی را ایجاد میکنند که در برابر جداسازی مقاوم هستند.
قانون شکنی تیتان
در زمین، آب به دلیل قطبی بودن و روغن به دلیل غیرقطبی بودن، از هم جدا میشوند. مولکولهای آب به دلیل توزیع نامتوازن بار الکتریکی، یکدیگر را جذب میکنند، در حالی که هیدروکربنهای غیرقطبی چنین توزیعی ندارند. اما در تیتان، دمای بسیار پایین (حدود ۹۴ کلوین یا منفی ۱۷۹ درجه سانتیگراد) این قاعده را تغییر میدهد.
محققان ناسا در آزمایشگاه پیشرانش جت، هیدروژن سیانید را با متان و اتان در دماهای پایین مخلوط کردند. نتایج نشان داد که در این دماها، هیدروژن سیانید به صورت بلور در میآید، در حالی که متان و اتان مایع باقی میمانند. تجزیه و تحلیل طیفسنجی لیزری نشان داد که مولکولها به سادگی واکنش ندادهاند، بلکه ساختارهای جامد جدیدی تشکیل دادهاند. گروهی از دانشگاه فناوری چالمرز با استفاده از شبیهسازیهای کامپیوتری تأیید کردند که هیدروکربنها میتوانند وارد شبکه بلوری هیدروژن سیانید شده و ساختارهای مشترک پایداری را ایجاد کنند. این پدیده an exception to the rule that polar and nonpolar compounds do not spontaneously mix توصیف شده است.
این یافتهها پیامدهای مهمی برای زمینشناسی تیتان دارد. اگر HCN و هیدروکربنها بتوانند بلورهای مشترک تشکیل دهند، ممکن است برخی از رسوبات آلی تیتان رفتار متفاوتی از آنچه تصور میشود داشته باشند. حلالیت، فرسایش، استحکام مکانیکی و توانایی حرکت آنها در چرخه متان تیتان میتواند تحت تأثیر قرار گیرد.
شیمی پیش از حیات
هیدروژن سیانید به دلیل نقش احتمالی آن در شیمی پیش از حیات، مولکولی مهم است. این مولکول میتواند در مسیرهای تشکیل اسیدهای آمینه و نوکلئوبازها نقش داشته باشد. تیتان با داشتن مواد آلی فراوان، مایعات سطحی و یک لایه آبی در اعماق خود، مکانی جذاب برای مطالعه این فرآیندهاست. با این حال، این مطالعه به معنای کشف حیات یا احتمال بالای حیات در تیتان نیست، بلکه نشان میدهد که انتظارات شیمیایی معمولی در دماهای پایین تیتان ممکن است صادق نباشد.
ماموریت آینده ناسا، دراگونفلای Dragonfly is designed to investigate Titan’s prebiotic chemistry and habitability، با هدف بررسی شیمی پیش از حیات و قابلیت سکونت تیتان طراحی شده است. نتایج این مطالعه میتواند به دانشمندان در شناسایی مواد، مناظر و ترکیبات مولکولی که ارزش بررسی بیشتری دارند، کمک کند.
در نهایت، این تحقیق نشان میدهد که تیتان به اندازهای سرد است که مرزهای شیمیایی را نرم میکند و مولکولهایی که انتظار میرود از هم دوری کنند، میتوانند در یک ساختار جامد مشترک جای گیرند.
