آب و روغن در بزرگ‌ترین قمر زحل با هم ترکیب می‌شوند؛ گشوده شدن دریچه‌ای به سوی شیمی شگفت‌انگیز در منظومه شمسی
در تایتان، بزرگ‌ترین قمر زحل، مولکول‌هایی که روی زمین هرگز با یکدیگر ترکیب نمی‌شوند، در حال آمیخته شدن با یکدیگرند و به نظر می‌رسد یکی از قوانین بنیادین شیمی را نقض می‌کنند.
یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که شرایط یخبندان در سطح تایتان، بزرگ‌ترین قمر زحل، به مولکول‌های ساده موجود در جو آن اجازه می‌دهد یکی از بنیادی‌ترین قوانین شیمی را نقض کنند.
بر اساس این اصل که با عنوان «شبیه، شبیه را در خود حل می‌کند» شناخته می‌شود، مخلوط‌هایی که هم حاوی اجزای قطبی و هم غیرقطبی هستند، مانند آب و روغن، معمولاً با هم ترکیب نمی‌شوند و لایه‌های جداگانه‌ای تشکیل می‌دهند.
اما دانشمندان آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا و دانشگاه صنعتی چالمرز در سوئد با شگفتی دریافتند که مولکول قطبی هیدروژن سیانید با هیدروکربن‌های بسیار غیرقطبی متان و اتان در سطح یخبندان تایتان، هم‌بلورهای (co-crystals) پایداری تشکیل می‌دهد؛ مولکول‌هایی که روی زمین معمولاً کاملاً با یکدیگر ناسازگارند.
مارتین رام، نویسنده اصلی این پژوهش و دانشیار شیمی، بیوشیمی و مهندسی شیمی در دانشگاه صنعتی چالمرز، در بیانیه‌ای گفت: «این کشف با قانون شیمی “شبیه، شبیه را در خود حل می‌کند” در تضاد است؛ قانونی که اساساً می‌گوید ترکیب این مواد قطبی و غیرقطبی نباید ممکن باشد.»
این مطالعه جدید که در تاریخ ۲۳ ژوئیه در مجله PNAS منتشر شد، یکی از ارکان دیرینه علم شیمی را به چالش می‌کشد و می‌تواند راه را برای کشف ساختارهای جامد شگفت‌انگیزتر در سراسر منظومه شمسی هموار کند.
بازسازی سطح تایتان
تحقیقات نشان می‌دهد که شرایط سطح تایتان شباهت چشمگیری به زمین در دوران اولیه دارد. جو این قمر حاوی مقادیر زیادی نیتروژن و ترکیبات هیدروکربنی ساده متان و اتان است که در یک سیستم آب‌وهوایی محلی، بسیار شبیه به چرخه آب زمین، در گردش هستند.
با این حال، تاکنون پژوهشگران از سرنوشت هیدروژن سیانید تولید شده در اثر واکنش‌های این جو، اطمینان نداشتند. آیا این ماده به صورت جامد بر سطح رسوب می‌کند؟ آیا با محیط اطراف خود واکنش می‌دهد؟ یا می‌تواند به اولین مولکول‌های حیات تبدیل شود؟
برای بررسی این پرسش‌ها، تیم ناسا شرایط سطح تایتان را با ترکیب مخلوط‌هایی از متان، اتان و هیدروژن سیانید در دمای حدود منفی ۱۸۳ درجه سلسیوس (منفی ۲۹۷ درجه فارنهایت) شبیه‌سازی کرد. تحلیل طیف‌سنجی – روشی برای مطالعه مواد شیمیایی از طریق برهم‌کنش آن‌ها با طول‌موج‌های مختلف نور – نتایج غیرمنتظره‌ای به همراه داشت که نشان می‌داد این ترکیبات متضاد، بسیار نزدیک‌تر از آنچه تاکنون مشاهده شده بود، با یکدیگر برهم‌کنش دارند.
به نظر می‌رسید که مولکول‌های غیرقطبی متان و اتان در فضاهای خالی ساختار بلوری جامد هیدروژن سیانید قرار گرفته‌اند – فرآیندی که به آن «درون‌یابی» (intercalation) گفته می‌شود – تا یک هم‌بلور غیرمعمول حاوی هر دو دسته از مولکول‌ها را ایجاد کنند.
به طور معمول، مولکول‌های قطبی و غیرقطبی با هم ترکیب نمی‌شوند. ترکیبات قطبی، مانند آب و هیدروژن سیانید، توزیع بار نامتقارنی در سراسر مولکول دارند که باعث می‌شود برخی نواحی کمی مثبت و برخی دیگر کمی منفی باشند. این نواحی با بارهای مخالف به یکدیگر جذب می‌شوند و برهم‌کنش‌های بین‌مولکولی قوی‌ای بین مولکول‌های قطبی مختلف ایجاد می‌کنند و عمدتاً اجزای غیرقطبی را نادیده می‌گیرند.
در مقابل، روغن‌ها و هیدروکربن‌های غیرقطبی آرایش بار کاملاً متقارنی دارند و برهم‌کنش بسیار ضعیفی با مولکول‌های غیرقطبی همسایه خود برقرار می‌کنند و هیچ برهم‌کنشی با ذرات قطبی ندارند. در نتیجه، مخلوط‌هایی که هم حاوی اجزای قطبی و هم غیرقطبی هستند، مانند آب و روغن، معمولاً لایه‌های مجزایی تشکیل می‌دهند.
تیم ناسا برای توضیح مشاهدات عجیب خود، با پژوهشگران دانشگاه صنعتی چالمرز همکاری کرد تا صدها ساختار هم‌بلور احتمالی را مدل‌سازی کرده و پایداری هر یک را تحت شرایط تایتان ارزیابی کنند.
رام توضیح داد: «محاسبات ما نه تنها پایداری این مخلوط‌های غیرمنتظره را در شرایط تایتان پیش‌بینی کرد، بلکه طیف‌های نوری‌ای را نیز پیش‌بینی کرد که با اندازه‌گیری‌های ناسا به خوبی مطابقت داشت.»
تحلیل نظری آن‌ها چندین شکل بلوری پایدار و محتمل را شناسایی کرد که به گفته آن‌ها، در اثر تقویت شگفت‌انگیز نیروهای بین‌مولکولی در جامد هیدروژن سیانید که ناشی از این ترکیب است، پایدار می‌شوند.
—پوسته قمر تایتان زحل ممکن است یک لایه یخ متان به ضخامت ۱۰ کیلومتر باشد — آیا حیات می‌تواند در زیر آن وجود داشته باشد؟
—اگر حیات بیگانه در اروپا وجود داشته باشد، ممکن است آن را در چشمه‌های آب گرم پیدا کنیم
—دانشمندان بهترین شواهد را مبنی بر قابل سکونت بودن قمر یخی انسلادوس یافته‌اند
ترکیب دقیق نظریه و آزمایش آن‌ها، آتنا کاستنیس، سیاره‌شناس رصدخانه پاریس-مودون در فرانسه را تحت تأثیر قرار داد. او مشتاق است ببیند که داده‌های آینده، از جمله داده‌های کاوشگر دراگون‌فلای ناسا (که قرار است در سال ۲۰۳۴ به تایتان برسد)، چگونه یافته‌های این مطالعه را تکمیل خواهند کرد.
کاستنیس در ایمیلی به لایو ساینس گفت: «مقایسه طیف‌های آزمایشگاهی با داده‌های آینده مأموریت دراگون‌فلای ممکن است نشانه‌هایی از این جامدات را بر سطح تایتان آشکار کند و درکی از نقش‌های زمین‌شناختی و اهمیت بالقوه آن‌ها به عنوان محیط‌های واکنش پیش‌زیستی در دمای پایین فراهم آورد.» او افزود که کارهای بیشتر حتی می‌تواند این رویکرد را به مولکول‌های دیگری که احتمالاً توسط جو تایتان تولید می‌شوند، از جمله سیانواستیلن (HC3N)، استیلن (C2H2)، هیدروژن ایزوسیانید (HNC) و نیتروژن (N2) گسترش دهد. «[این کار] مشخص خواهد کرد که آیا چنین ترکیبی یک ویژگی کلی در شیمی آلی تایتان است یا خیر.»