На спутнике Сатурна молекулы нарушают фундаментальный закон химии

Ученые обнаружили, что на Титане, крупнейшем спутнике Сатурна, нарушается одно из ключевых правил химии. В экстремальном холоде этого мира вещества, которые на Земле никогда не смешиваются, образуют стабильные кристаллы.

Фундаментальный принцип химии, о котором идет речь — это «подобное растворяется в подобном». Он знакомом каждому, кто хотя бы раз пытался смешать масло с водой. Всем известно, что полярные молекулы (как вода) имеют неравномерное распределение заряда и притягиваются друг к другу, игнорируя неполярные молекулы (масло), у которых заряд распределен симметрично. Поэтому масло и вода образуют отдельные слои, а не смешиваются друг с другом.

Но специалисты Лаборатории реактивного движения NASA и Технологического университета Чалмерса в Швеции обнаружили — правда, не на Земле, а на Титане, поразительное явление. При температуре минус 183 градуса Цельсия — именно такие условия на поверхности крупнейшего спутника Сатурна — полярные молекулы цианистого водорода формируют устойчивые кристаллы с абсолютно неполярными метаном и этаном — веществами, которые в земных условиях с ними полностью несовместимы.

«Это противоречит правилу химии “подобное растворяется в подобном”, которое в основном означает, что объединить полярные и неполярные молекулы невозможно», — объясняет ведущий автор исследования Мартин Рам, доцент химии из Университета Чалмерса.

Масло и воду невозможно смешать из-за разного распределения заряда в их молекулах

Чтобы разгадать загадку слияния разных по природе молекул на Титане, ученые воссоздали условия этого спутника в лаборатории, смешав метан, этан и цианистый водород при экстремально низких температурах. Спектроскопический анализ показал неожиданные результаты: молекулы метана и этана действительно встраивались в промежутки кристаллической структуры цианистого водорода, создавая необычный со-кристалл. «Наши расчеты предсказали то, что в условиях Титана становятся стабильными не только неожиданные смеси, но и спектры света, которые хорошо совпадают с измерениями NASA», — говорит Рам.

Открытие особенно интригует, поскольку условия на поверхности Титана напоминают раннюю Землю. Его атмосфера богата азотом, метаном и этаном, которые циркулируют в локальной погодной системе, похожей на земной круговорот воды. Понимание того, как эти простые молекулы взаимодействуют друг с другом в экстремальных условиях, может объяснить процессы формирования первых молекул жизни на нашей планете.

Планетолог Афина Кустенис из Парижско-Медонской обсерватории считает, что будущие данные миссии NASA Dragonfly, которая прибудет на Титан в 2034 году, могут выявить признаки необычных со-кристаллов на поверхности спутника и помочь понять их роль как возможной среды для пребиотических реакций — химических процессов, предшествующих возникновению жизни.