9 دقیقه
دانشمندانِ بررسی‌کنندهٔ قمر زحل، تیتان، دریافتند که سرمای فوق‌العاده میتواند همکاری‌های نامحتمل بین مولکول‌ها را ممکن سازد. آزمایش‌های جدید آزمایشگاهی و مدلهای محاسباتی نشان می‌دهد که هیدروژن سیانید — یک مولکول قطبی قوی — در شرایطی شبیه به تیتان میتواند ساختارهای جامد پایداری با هیدروکربن‌های غیرقطبی مانند متان و اتان تشکیل دهد. اگر این یافتهها تأیید شود، وجود این همبلورها قاعدهٔ متن کتاب‌های درسی شیمی را به چالش می‌کشد و نحوهٔ تفسیر چشم‌اندازهای سطحی تیتان و مسیرهای شیمی پیشزیستی (شیمی پیش‌بیانی) در این قمر را بازنویسی خواهد کرد.
چرا این کشف برای شیمیدان‌ها گیج‌کننده است
یکی از ساده‌ترین آموزه‌های شیمی این است که «هم‌نوع حل می‌کند هم‌نوع را»: مولکولهای قطبی معمولاً با مولکولهای قطبی دیگر تعامل می‌کنند و مولکولهای غیرفعالِ غیرقطبی تمایل به جفت شدن با هم‌نوع خود دارند. به همین دلیل آب و روغن به‌صورت کلاسیک با هم ترکیب نمی‌شوند. هیدروژن سیانید (HCN)، که مولکولی قطبی و در تیتان فراوان است، از منظر این قاعده باید از دریاچه‌های هیدروکربنیِ تیتان که عمدتاً از متان و اتان تشکیل شدهاند جدا بماند و در فازهای مجزا قرار گیرد.
با وجود این انتظار، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی شیمیدان فرناندو ایزکیِردو-روییز (Fernando Izquierdo-Ruiz) از دانشگاه چالمرز (Chalmers University of Technology) و همکاری با تیم‌هایی در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (NASA JPL) شواهد تجربی و نظری ارائه کرده‌اند که نشان می‌دهد در دمای حدود −180 درجهٔ سلسیوس، بلورهای HCN می‌توانند مولکولهای متان و اتان را در درون شبکهٔ بلوری خود به دام بیندازند. نتیجهٔ این فرایند شکل‌گیری «همبلورها» است — مواد جامدی مرکب از دو یا چند گونهٔ مولکولی متمایز — که بر اساس انتظارهای معمول شیمی وجود نداشتند.
روش انجام آزمایشها و مدل‌سازی‌ها
آزمایش‌های دمای پایین شبیه‌سازی سطح تیتان
برای شبیه‌سازی سطح یخ‌زدهٔ تیتان، گروه‌های پژوهشی چمبرهای آزمایشی را تا حدود −180 درجهٔ سلسیوس (−292 درجهٔ فارنهایت) سرد کردند. در آن شرایط HCN به صورت جامد در می‌آید در حالی که متان و اتان در فاز مایع باقی می‌مانند. محققان بلورهای HCN را رشد دادند و سپس آنها را در معرض جریان‌هایی از متان، اتان، پروپان و بوتان قرار دادند و هم‌زمان ارتعاشات مولکولی را با طیفسنجی رامان زیرنظر گرفتند.
طیف‌های رامان تغییرات ظریف اما مداومی را در مدهای ارتعاشی HCN پس از قرار گرفتن در معرض متان و اتان نشان دادند — نشانه‌ای روشن که هیدروکربنها تنها سطح بلور را نمی‌پوشانند، بلکه با شبکهٔ بلوری HCN وارد تعامل میشوند. این تغییرات مطرح می‌کرد که پیوندهای هیدروژنی در ساختار هیدروسیانید متحمل خمیدگی یا تقویت جزئی شدهاند که میتواند پذیرای «میهمان‌های» غیرقطبی باشد.
در تحلیل دقیق‌تر، پژوهشگران به توزیع و تغییر فرکانس‌های ارتعاشی مولکول‌ها و جابجایی اوج‌های رامان دقت کردند تا نشانه‌های حضور مولکولهای مهمان در سایتهای بینبینی (interstitial) بلور را تأیید کنند. این دادههای طیفی همراه با عکس‌العمل‌های حرارتی و مشاهدات بلورشناختی، شواهد تجربی محکمی فراهم آورد که ترکیب جامدی جدید شکل گرفته است.
شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای مکانیزم را تأیید می‌کنند
کارهای محاسباتی مکمل نیز رفتار مولکول‌ها را در نزدیکی صفرِ مطلق مدل‌سازی کردند. در دماهای شبیه تیتان، حرکت حرارتی بسیار کاهش مییابد و شکاف‌های گذرای کوچک در شبکهٔ بلور HCN میتواند اجازه دهد مولکولهای کوچکِ غیرقطبی به درون نفوذ کنند. شبیه‌سازی‌ها آرایش‌های پایداری از همبلورها را نشان دادند که در آنها متان و اتان در سایتهای بینبینی قرار می‌گیرند و با HCN یک جامد منظم تشکیل می‌دهند — شرایطی که از نظر انرژی در شرایط تیتان مطلوب به نظر می‌رسد.
مدلهای نظری با استفاده از روش‌های مکانیک کوانتومی و دینامیک مولکولی کم‌حرارت، انرژی‌های اتصال و پتانسیل‌های تعاملی را محاسبه کردند و نشان دادند که ورود هیدروکربنها به شبکهٔ HCN نه‌فقط یک پدیدهٔ گذرا بلکه میتواند یک حالت ترمودینامیکی باثبات باشد. نتایج نشان می‌دهد که در دمای بسیار پایین، قواعد معمول دربارهٔ قطبیت و سازگاری شیمیایی می‌توانند تحت تأثیر انرژی‌های ثابت بلور و کاهش قابل‌توجه جنب‌وجوش مولکولی منحرف شوند.
پیامدها برای تیتان و اخترزیستشناسی
این یافتهها نوع نگاه دانشمندان به دادههای راداری و مادون‌قرمزِ دریافت‌شده از سطح تیتان را تغییر می‌دهد. هم‌بلورهای HCN و هیدروکربنها خواص فیزیکی مشخصی مانند چگالی، بازتابپذیری و مقاومت مکانیکی دارند که میتواند بر شیمی دریاچه‌ها، فرآیندهای ساحلی و شکل‌گیری تپه‌های شنی (ریگ‌های ماسه‌ای) تأثیر بگذارد. دریاچه‌ها و دریاهای هیدروکربنیِ تیتان که توسط فضاپیمای کاسینی (Cassini) به عنوان غنی و متنوع شناخته شدهاند، با افزودن خانواده‌ای از جامداتِ قبلاً ناشناخته، تصویر پیچیده‌تر و پویاتری به خود می‌گیرند.
ورای جنبه‌های زمین‌شناسی، هیدروژن سیانید نقش کلیدی در بسیاری از مسیرهای شیمی پیشزیستی روی زمین و در آزمایشگاه‌ها دارد: تحت شرایط مناسب میتواند به نوکلئوبازها و پیشدرآمدهای اسید آمینه تبدیل شود. اگر HCN به صورت جامد و همراه متان و اتان ذخیره شود، دسترسی و واکنش‌پذیری آن در سطح و نزدیک سطح تیتان میتواند متفاوت از آنچه مدلهای فعلی فرض می‌کنند باشد — که این امر پیامدهایی برای نظریه‌ها دربارهٔ تکامل شیمیایی در اجرام سرد سیاره‌ای خواهد داشت.
به‌عنوان مثال، در دسترس بودن HCN آزاد برای واکنشهای زنجیره‌ای که منجر به سنتز مولکولهای آلی پیچیده‌تر میشوند ممکن است کاهش یابد یا نرخ واکنش‌ها تغییر کند؛ همچنین تجمع محلی همبلورها در نواحی ساحلی یا کف دریاچه‌ها میتواند منابع جدیدی از مواد آلی با رهایش شرطی فراهم آورد. این نکات برای مدل‌سازی‌های شیمی اقلیمی و سناریوهای شکل‌گیری پیشزیستی در اجرام یخی بسیار مهم است.
مشاهدات فروسرخ فضاپیمای کاسینی در سال ۲۰۱۵ دریاچه‌های متان را در زیر جو مه‌آلود تیتان نشان داد. (NASA/JPL/University of Arizona/University of Idaho)
پیامدها برای ماموریت‌ها و اندازه‌گیری‌های آینده
ماموریت روتورکرافت ناسا، دراگنفای (Dragonfly) — که در زمان‌بندی فعلی برای دههٔ ۲۰۳۰ برنامهریزی شده است — قرار است شیمی تیتان را به‌صورت مستقیم در محل کاوش کند. تا آن زمان، کارهای آزمایشگاهی و سنجش از دور باید انتظارات را هدایت کنند. اگر همبلورها در مقیاس وسیع وجود داشته باشند، ابزارهایی که ترکیب سطح، اینرسی حرارتی و خواص دیالکتریک را هدف قرار می‌دهند باید بازبینی شوند تا فازهای جامد غیرعادی را در نظر بگیرند.
از منظر عملی، جامدات همبلوری می‌توانند نحوهٔ پاسخ مواد به تنش مکانیکی را تغییر دهند (که بر حرکت ریگ‌ها و فرایندهای رسوب‌گذاری تأثیر می‌گذارد) یا نحوهٔ جذب و پراکندگی نور در باندهای فروسرخ را تغییر دهند (که تفاسیر طیفی را تحتتأثیر قرار می‌دهد). مشاهدات از راه دور که در حال حاضر ویژگیهایی را به یخهای ساده یا رسوبات آلی نسبت می‌دهند ممکن است نیازمند تفسیر مجدد باشند.
علاوه بر این، خواص گرمایی و هدایت الکتریکی همبلورها میتواند بر مدلهای حرارتی سطحی و شارهای گرمایی در سطوح نزدیک به دریاچه‌ها تأثیر بگذارد و بدین ترتیب موجب بازنگری در برآوردهای مربوط به دینامیک جو-سطحی و چرخهٔ هیدروکربنها در تیتان شود. برای گروه‌های طراحی مأموریت، آگاهی از احتمال وجود فازهای جامد نامعمول میتواند در انتخاب سنجنده‌ها و طراحی آزمایشها تعیین‌کننده باشد.
دیدگاه کارشناسی
«ما اغلب قواعد شیمی را طوری تدریس می‌کنیم که گویا قوانین طبیعی محکم هستند، اما تیتان یادآوری می‌کند که محیط اهمیت دارد،» می‌گوید دکتر آنیکا مورنو، شیمیدان سیاره‌ای که در این مطالعه دخالت نداشت. «در دمای −۱۸۰ درجهٔ سلسیوس، مولکول‌ها آن‌قدر کم‌تحرک‌اند که آرایش‌های شگفت‌آوری می‌توانند شکل بگیرند. این همبلورها نشان می‌دهند که شرایط سیاره‌ای میتواند شیمی‌ای را فعال کند که معمولاً روی زمین مشاهده نمی‌کنیم. برای برنامه‌ریزان مأموریت، این نشانه‌ای است برای طراحی ابزارهایی که به فازهای جامد غیرمنتظره حساس باشند.»
گامهای بعدی و سوالات باز
تیم پژوهشی قصد دارد آزمایشها را به هیدروکربنها و نیتریل‌های دیگر گسترش دهد و نگاشت کند کدام ترکیبات در دماها و فشارهای متفاوت هم‌بلورهای پایداری را تشکیل می‌دهند. پرسش‌های باز شامل فراوانی این فازها روی تیتان، سازوکارهای شکل‌گیری و پایداری آنها در محیطهای طبیعی، و اینکه آیا تغییرات فصلی یا پدیده‌های هواشناختی می‌توانند آنها را جابه‌جا یا تجزیه کنند، می‌شود.
علاوه بر این، تعیین مقادیر نسبی همبلورها در مناطق ساحلی، کف دریاچه‌ها و تپه‌های ماسه‌ای برای فهم نقش آنها در چرخهٔ کربن و نیتروژن تیتان حیاتی خواهد بود. مطالعات میدانی هم‌زمان در آزمایشگاه با استفاده از طیف‌سنجی‌های پیشرفته، اندازه‌گیری‌های ریزساختاری و سنجش خواص مکانیکی میتواند تصویر دقیق‌تری از این مواد نوظهور ارائه دهد.
در حال حاضر، این کشف نمونه‌ای برجسته است از اینکه چگونه یک قاعدهٔ آشنا در شرایطی بیگانه میتواند خمیده شود. همان‌طور که پژوهش بیان می‌کند، این ساختارها «یادآوری تواضع‌آمیزی‌اند از اینکه شیمی بنیادی تا چه اندازه میتواند شگفت‌آور باشد.» با نزدیک شدن مأموریت دراگنفای و ادامهٔ کارهای آزمایشگاهی، دریاچه‌ها و سواحل تیتان همچنان میدان باروری برای کشفیات دربارهٔ شیمی، زمین‌شناسی و پیشسازهای حیات خواهند بود.
منبع: sciencealert
نظرات
اتو_ر
جالبه که این میتونه تفسیر طیف‌های کاسینی رو عوض کنه، مدل‌ها باید آپدیت شن، سوالای زیادی مونده
مکس_ای
کمی جلو زده و هیجانیه، اما بدون داده میدانی نمیشه قضاوت کرد. منتظر دراگنفای و اندازه‌گیری‌ها هستم
مهران
تو یه پروژه قدیمی هم دیدم مواد غیرمنتظره تشکیل میشدن؛ طبیعت همیشه پیچیده‌س، ممکنه این هم واقعی باشه
لابکور
آیا آزمایشها واقعا شرایط طبیعی تیتان رو بازسازی کرده‌اند؟ شک دارم، نیاز به اندازه‌گیری میدانی هست...
ردیکس
واقعاً؟ تیتان باز هم غافلگیر می‌کنه! چطور HCN با متان و اتان قفل میشه، عجیب اما منطقی به نظر میاد
ارسال نظر