«همانند، همانند را حل میکند» یکی از کاربردیترین میانبرهای شیمی است. مواد قطبی معمولاً تمایل دارند با مواد قطبی برهمکنش داشته باشند، در حالی که ترکیبات ناقطبی ترجیح میدهند با ترکیبات مشابه خود همراه شوند. اما در تایتان، قمر زحل، جایی که دما آنقدر پایین است که آب به سنگ تبدیل میشود و متان به شکل مایع جریان دارد، این قاعده کاربردی یک استثنای عجیب پیدا کرده است.
پژوهشگران آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) بلورهای سیانید هیدروژن یا HCN را در معرض متان، اتان و سایر هیدروکربنهای کوچک قرار دادند. این مولکولها با یکدیگر واکنش ندادند تا ترکیبات جدیدی بسازند، اما طیفسنجی لیزری نشان داد که ساختار بلور HCN تغییر کرده است. سپس شیمیدانان محاسباتی دانشگاه صنعتی چالمرز ساختارهایی را بررسی کردند که در آن مولکولهای هیدروکربنی در شبکه بلوری HCN قرار میگیرند و از نظر انرژی پایدار باقی میمانند.
شواهد بهدستآمده که در مطالعهای در مجله PNAS با عنوان «سیانید هیدروژن و هیدروکربنها در تایتان با یکدیگر ترکیب میشوند» منتشر شده، از نوعی اختلاط فوقالعاده در دماهای بسیار پایین حمایت میکند. این یافته قوانین ترمودینامیک را نقض نمیکند و به این معنا نیست که همه ساختارهای احتمالی در هر نقطه از تایتان پایدار خواهند بود. بلکه نشان میدهد تفاوت شدید در قطبیت لزوماً مانع از قرار گرفتن دو ماده در کنار یکدیگر در یک جامد نمیشود؛ زیرا دما و نحوه چیدمان بلورها میتوانند محاسبات انرژی را تغییر دهند.
یک استثنای سرد با معنایی محدود
HCN و متان در نگاه اول ترکیبات مناسبی برای یکدیگر به نظر نمیرسند. HCN توزیع بسیار نامتوازنی از بار الکتریکی دارد و بهشدت قطبی است. در مقابل، متان و اتان توزیع بار یکنواختتری دارند و ناقطبی هستند. در شرایط معمول، مولکولهای قطبی بهقدری به یکدیگر جذب میشوند که بهراحتی برای مولکولهای ناقطبی جا باز نمیکنند.
با این حال، عبارت «همانند، همانند را حل میکند» یک قاعده تجربی است، نه یک قانون قطعی. این عبارت رفتار رایج مواد در محلولها را توضیح میدهد. پژوهش جدید درباره ساختارهای جامد در دماهای نزدیک به شرایط تایتان است؛ جایی که آنتروپی، جاذبههای ضعیف بین مولکولی و هندسه شبکه بلوری میتوانند نتیجه متفاوتی ایجاد کنند.
هیدروکربنها قطبی نمیشوند و HCN نیز قطبیت خود را از دست نمیدهد. بلکه مجموع این آرایش مولکولی به اندازهای مطلوب میشود که تشکیل ساختار را امکانپذیر میکند.
عبارت «حدود منفی ۱۷۹ درجه سانتیگراد» نیز نیاز به توضیح دقیق دارد. دمای حدود ۹۴ کلوین یا منفی ۱۷۹ درجه سانتیگراد، دمایی نماینده برای سطح تایتان است. آزمایشگاه تمام مخلوطها را دقیقاً در این دما نگه نداشت. طبق روش آزمایش، متان در دمای ۷۷ کلوین و اتان، پروپان و بوتان در دمای ۹۰ کلوین به HCN اضافه شدند. دانشگاه چالمرز نیز آزمایشهایی در دماهای پایین تا ۹۰ کلوین را مشابهی نزدیک به محیط تایتان توصیف کرده است.
آزمایش دقیقاً چگونه انجام شد؟
تیم JPL ابتدا گاز HCN را روی یک سکوی بسیار سرد قرار داد و سپس ماده را به مدت پنج دقیقه در دمای ۱۵۰ کلوین گرم کرد و دوباره آن را سرد کرد. پژوهشگران متان را در دمای ۷۷ کلوین و هیدروکربنهای بزرگتر را در دمای ۹۰ کلوین به نمونه اضافه کردند.
در این دماها، HCN جامد است، در حالی که متان و اتان تحت شرایط مربوطه میتوانند به شکل مایع باشند.
پژوهشگران نمونهها را با استفاده از طیفسنجی رامان بررسی کردند. این روش تغییرات بسیار کوچک انرژی نور لیزر را هنگام پراکندگی از ارتعاشات مولکولی بررسی میکند.
پس از اضافه شدن هیدروکربنها، چندین باند طیفی HCN جابهجا شدند. این تغییرات نشان دادند که مولکولهای HCN محیطهای محلی جدیدی پیدا کردهاند، در حالی که هم HCN و هم هیدروکربنها از نظر شیمیایی دستنخورده باقی ماندهاند.
تفسیر تغییر طیف بهتنهایی به معنای مشاهده مستقیم ساختار نیست. برای بررسی توضیحات احتمالی، تیم محاسباتی ۹۷۶۰ آرایش مختلف را با استفاده از پیشبینی ساختار بلوری و نظریه تابعی چگالی اصلاحشده با پراکندگی بررسی کرد.
امیدبخشترین ساختارهای HCN-متان و HCN-اتان توانستند ویژگیهای اصلی طیفهای اندازهگیریشده را بازتولید کنند. محاسبات همچنین نشان داد که یک بلور مشترک HCN و اتان میتواند در شرایط سطح تایتان هم از نظر ترمودینامیکی و هم از نظر سینتیکی پایدار باشد.
مکانیسم پیشنهادی شبیه فرآیند نفوذ است. مولکولهای هیدروکربنی به فضاهای خالی درون جامد HCN نفوذ میکنند و در نهایت در یک شبکه ترکیبی قرار میگیرند.
این اتفاق با تصور ترکیب یکنواخت دو مایع گرم در یک ظرف کاملاً متفاوت است. در اینجا یک جامد میزبان، در دمای بسیار پایین، مولکولهای دیگر را در ساختار خود جای میدهد.
طیفها چه چیزی را نشان میدهند و چه چیزی را نمیتوانند نشان دهند؟
شواهد به اندازهای قوی هستند که پژوهشگران بتوانند وجود اختلاط خودبهخودی را شناسایی کنند، اما هنوز یک پرسش درباره ساختار دقیق باقی مانده است.
یک «همبلور» معمولاً به یک جامد منظم با اجزایی در یک آرایش تکرارشونده مشخص اشاره دارد. در مقابل، یک «محلول جامد» میتواند شامل توزیع متغیرتر و بینظمی بیشتری باشد. از آنجا که آزمایش نتوانست نظم اتمی در مقیاس طولانی را مستقیماً تعیین کند، نویسندگان میگویند هر دو اصطلاح ممکن است در نهایت مناسب باشند.
این موضوع نتیجه را کماهمیت نمیکند. طیفسنجی رامان نسبت به محیط اطراف مولکولها حساس است و تطابق میان طیف آزمایشگاهی و طیفهای محاسبهشده، توضیح فیزیکی قابلقبولی برای مشاهدات ارائه میدهد.
برای تعیین ساختار دقیق، به اندازهگیریهای بیشتر، مانند پراش، نیاز است. انجام چنین آزمایشهایی دشوار است، زیرا نمونه باید در دمای بسیار پایین نگه داشته شود و HCN نیز مادهای بسیار سمی است.
بنابراین این مطالعه مستقیماً از مولکولهای متان در یک جایگاه مشخص از شبکه بلوری عکس نگرفته است. بلکه تغییرات اثرانگشتهای ارتعاشی در آزمایشگاه را با یک جستوجوی محاسباتی گسترده ترکیب کرده که ساختارهای پایدار و قابلقبولی را شناسایی کرده است.
تشبیه نفت و آب، میزان شگفتی این کشف را بهخوبی نشان میدهد؛ اما توصیف دقیقتر این است که مولکولهایی با تفاوت شدید در قطبیت میتوانند در دماهای بسیار پایین، یک فاز جامد مشترک تشکیل دهند.
متان و اتان رفتار یکسانی ندارند
در عنوان پژوهش، متان و اتان هر دو مطرح شدهاند، زیرا هر دو شواهدی از برهمکنش با HCN نشان دادند؛ اما محدوده دمایی آنها یکسان نیست.
ویژگیهای طیفی مرتبط با متان زمانی که نمونه به بالاتر از حدود ۸۵ کلوین گرم شد، بهسرعت کاهش یافتند. از آنجا که دمای سطح تایتان معمولاً حدود ۹۰ تا ۹۴ کلوین است، ساختار احتمالی HCN-متان ممکن است بیشتر در مناطق سردتر جو تایتان شکل بگیرد تا در بیشتر نقاط سطح آن.
اتان گزینه مناسبتری برای سطح تایتان محسوب میشود. مدلسازیها ساختارهای مطلوب HCN-اتان را نشان دادند و نشانههای آزمایشگاهی آنها در دماهای بالاتری نیز باقی ماند. پروپان و بوتان نیز طیف HCN را تغییر دادند، اگرچه مقاله تحلیل ساختاری دقیق خود را بر متان و اتان متمرکز کرده است.
این نکته هنگام تعمیم نتایج آزمایشگاهی به یک جهان دیگر بسیار مهم است. تشکیل یک ترکیب در یک آزمایش کنترلشده و بسیار سرد، لزوماً به این معنا نیست که همان ماده در سراسر تایتان بهوفور وجود دارد.
دانشمندان همچنان به اطلاعاتی درباره میزان فراوانی، فشار، سرعت تشکیل و طول عمر این ترکیبات نیاز دارند و باید بررسی کنند که آیا همین فرآیند در مخلوطهایی حاوی تعداد زیادی ترکیب آلی رقیب نیز رخ میدهد یا خیر.
با این حال، تایتان محیط بسیار مناسبی برای چنین شیمیای فراهم میکند. مأموریت کاسینی-هویگنس وجود دریاچهها و دریاهایی از متان و اتان، بارش هیدروکربنی، جوی عمدتاً متشکل از نیتروژن و مناطق گسترده غنی از مواد آلی را نشان داده است.
شیمی جو تایتان همچنین باعث تولید HCN میشود و فرصتهایی را برای برخورد این جامد قطبی با مایعات ناقطبی در ابرها، ذرات در حال سقوط، رسوبات سطحی یا حاشیه دریاچهها فراهم میکند.
چرا بلورهای ترکیبی میتوانند زمینشناسی تایتان را تغییر دهند؟
دانشمندان علوم سیارهای پیشتر برای چنین موادی اصطلاح «کانیهای یخی» یا cryominerals را به کار بردهاند.
در زمین، سنگها عمدتاً تحت تأثیر سیلیکاتها، کربناتها و سایر کانیهای غیرآلی شکل میگیرند. اما سطح تایتان میتواند در دماهای پایین، میزبان جامدهای مولکولی باشد که از ترکیبات آلی ساخته شدهاند.
بررسیهای آزمایشگاهی قبلی چندین نمونه از این همبلورها را شناسایی کردهاند و نشان دادهاند که آنها ممکن است بر تپههای شنی، رسوبات تبخیری، عوارض زمینشناختی شبیه کارست و سرعت تغییر چشمانداز تایتان تأثیر بگذارند.
ساختارهای HCN نیز بخشی از یک مجموعه رو به رشد هستند و ایدهای کاملاً جدید محسوب نمیشوند. آزمایشهای قبلی یک همبلور از استیلن و بوتان ایجاد کرده بودند؛ دو مولکولی که انتظار میرود روی تایتان نسبتاً فراوان باشند. ترکیبات دیگری مانند بنزن با اتان و استیلن با آمونیاک نیز بررسی شدهاند.
قرار گرفتن HCN در یک جامد ترکیبی میتواند سرنوشت آن را تغییر دهد. ترکیب بلور میتواند بر سختی، انبساط حرارتی، انحلال، فرسایش و میزان چسبندگی ذرات به یکدیگر تأثیر بگذارد.
اگر اتان بهجای اینکه صرفاً از کنار رسوبات HCN عبور کند، در ساختار آنها قرار بگیرد، ماده حاصل ممکن است رفتار متفاوتی از نظر دوام، جابهجایی یا فرسایش داشته باشد. در بازههای زمانی طولانی، همین تفاوتهای کوچک در ویژگیهای مواد میتوانند بر محل تجمع ترکیبات آلی در اطراف تپههای شنی، کانالها و حاشیه دریاهای هیدروکربنی تأثیر بگذارند.
البته هنوز هیچیک از این پیامدهای زمینشناختی مستقیماً روی تایتان مشاهده نشده است. این موارد، پیامدهای قابلآزمایشی هستند که از ویژگیهای مواد به دست میآیند.
مراحل بعدی تحقیقات آزمایشگاهی شامل اندازهگیری ترکیب و مرزهای فازی، تعیین نظم اتمی و قرار دادن بلورهای موردنظر در معرض مخلوطهای چندجزئی واقعیتر خواهد بود.
چرا این کشف فراتر از تایتان اهمیت دارد؟
HCN در شیمی پیشازیستی مورد توجه است، زیرا در شرایط مناسب میتواند در مسیرهایی مشارکت کند که به تولید اسیدهای آمینه و بازهای نوکلئوتیدی منجر میشوند.
این موضوع به این معنا نیست که بلورهای جدید زنده هستند یا حتی شواهدی برای احتمال وجود حیات در سطح تایتان محسوب میشوند. این کشف درباره نحوه ذخیره و انتقال یک ماده اولیه شیمیایی مهم است.
پیش از آنکه هر واکنشی رخ دهد، شکل فیزیکی ماده اهمیت دارد. مولکولی که در یک بلور ترکیبی به دام افتاده است، طول عمر و دسترسی متفاوتی نسبت به همان مولکول در یک رسوب خالص خواهد داشت.
این مولکول ممکن است در ساختار بلوری محافظت شود، غلیظ شود، هنگام حل شدن آزاد شود یا بر اثر فرسایش به محیط دیگری منتقل شود. بنابراین شناسایی تمام جامدهای احتمالی، بخشی از تلاش برای بازسازی شیمی تایتان است؛ حتی اگر هیچ ادعایی درباره وجود حیات مطرح نباشد.
مأموریت Dragonfly ناسا قرار است در چندین نقطه از سطح تایتان نمونهبرداری کند و شیمی پیشازیستی و قابلیت سکونت این قمر را بررسی کند. ابزارهای این مأموریت با مخلوطهای طبیعی بسیار پیچیدهتری نسبت به نمونههای دوتایی آزمایشگاهی روبهرو خواهند شد.
مطالعاتی از این دست به دانشمندان کمک میکنند تشخیص دهند چه فازهایی ممکن است در این مخلوطها پنهان شده باشند و کدام نشانههای طیفی باید مورد توجه قرار گیرند.
این یافته ممکن است درباره محیطهای سرد دیگری نیز کاربرد داشته باشد، زیرا HCN در دنبالهدارها، جو سیارات و ابرهای میانستارهای وجود دارد.
درس مهم این پژوهش این است که شیمیای که در آزمایشگاههای گرم زمین آموختهایم، فهرست کاملی از رفتارهای ممکن ماده نیست. در دماهای تایتان، حتی مولکولهایی که از نظر قطبیت تفاوت بسیار زیادی دارند نیز میتوانند راهی پایدار برای قرار گرفتن در یک ساختار بلوری مشترک پیدا کنند.
