Правила химии на крупнейшем спутнике Сатурна, Титане, могут быть пересмотрены благодаря новому открытию, которое показывает, как замороженные кристаллы цианистого водорода могут смешиваться с жидкими углеводородами — сочетание, которое считалось невозможным до сих пор.

Эксперименты в Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) в Южной Калифорнии, совместно с компьютерными симуляциями, выполненными исследователями Университета технологии Чалмерса в Швеции, продемонстрировали, как молекулы жидкого этана и метана, которые заполняют моря и озера на Титане, могут взаимодействовать с кристаллами цианистого водорода, замороженного при низкой температуре -179 градусов по Цельсию.

Цианистый водород представляет собой полярную молекулу, имеющую положительно заряженную и отрицательно заряженную стороны. Это делает ее склонной к связыванию с другими полярными молекулами, что, как правило, не происходит с неполярными веществами, такими как метан и этан, которые остаются отдельными, как масло и вода.

Сианистый водород образуется в атмосфере Титана в результате реакций с ультрафиолетовым светом от Солнца, который разрушает углеводороды и преобразует их в другие молекулы. Команда из JPL интересовалась, что происходит с цианистым водородом после его образования. Однако лабораторные эксперименты по смешиванию цианистого водорода с метаном и этаном при температуре -180 градусов Цельсия дали удивительные результаты, которые не удавалось объяснить. Поэтому ученые обратились за помощью к химику Мартину Рахму и его группе в Чалмерсе, которые имели опыт работы с цианистым водородом при низких температурах.

«Это привело к захватывающему теоретическому и экспериментальному сотрудничеству между Чалмерсом и NASA», — отметил Рахм. «Мы задавались вопросом, может ли существовать кристаллическая структура, в которой метан или этан смешиваются с цианистым водородом. Это противоречит правилу химии ‘подобное растворяет подобное’, что предполагает невозможность сочетания этих полярных и неполярных веществ».

Компьютерные симуляции Рахма продемонстрировали, что метан и этан могут проникать в кристаллическую решетку замороженного цианистого водорода, образуя новую и стабильную структуру, называемую «кокристалл». «Это может происходить при очень низких температурах, как на Титане», — отметил Рахм, добавив, что их расчеты предсказали не только стабильность неожиданных смесей при условиях Титана, но и спектры света, которые хорошо совпадают с измерениями NASA.

Титан — единственный спутник в солнечной системе с плотной атмосферой, а его углеводородная химия похожа на прекондиционное «суп» на Земле до возникновения жизни. Хотя холодные температуры на Титане, казалось бы, исключают возможность химических реакций, потенциально ведущих к жизни, астробиологическая ценность Титана как отправной точки остается высокой, показывая, каким мог быть молекулярный состав молодой Земли.

«Цианистый водород встречается во многих местах во Вселенной, например, в больших пылевых облаках, в атмосферах планет и кометах», — говорит Рахм. «Результаты нашего исследования могут помочь понять процессы в других холодных средах космоса. И мы, может быть, сможем выяснить, могут ли другие неполярные молекулы также проникать в кристаллы цианистого водорода и что это может значить для химии, предшествующей появлению жизни».

Учитывая все вышеизложенное, результаты исследования предполагают, что взаимодействия между атмосферой Титана, его замороженной поверхностью ледяных дюн и морями и озерами метана и этана гораздо более сложны, чем предполагали ученые. Когда в 2034 году на Титане приземлится новый роторный аппарат NASA, под названием «Dragonfly», он сможет забирать образцы, включая лед цианистого водорода, чтобы подтвердить новые результаты и исследовать более сложную и неожиданные химические реакции.