I Titans iskalla miljö har forskare från Chalmers och Nasa upptäckt att ämnen som normalt inte kan blandas ändå kan förenas. Det bryter mot en grundregel i kemin – och kan ge ledtrådar till hur livets byggstenar en gång uppstod.
Forskare har länge intresserat sig för Saturnus största och orangefärgade måne, Titan. Dess kalla miljö och tjocka atmosfär – fylld av kväve och metan – påminner om de förhållanden som tros ha funnits på jorden för flera miljarder år sedan. Förhoppningen är att fortsatta studier av Titan ska ge nya insikter om hur liv en gång kan ha uppstått.
Nu har forskare vid Chalmers och den amerikanska rymdorganisationen Nasa upptäckt att ämnen som i vanliga fall är oförenliga ändå kan blandas i Titans extremt kalla miljö.
– Det här är mycket spännande resultat som kan hjälpa oss att förstå något på en väldigt stor nivå, en måne lika stor som planeten Merkurius, säger Martin Rahm, docent på institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers, i ett pressmeddelande.
Nya insikter om livets byggstenar
Studien visar att metan, etan och vätecyanid – ämnen som finns i stora mängder i Titans atmosfär och på dess yta – kan samspela på ett sätt som tidigare inte ansetts möjligt. Att starkt polära molekyler av vätecyanid kan bilda kristaller tillsammans med helt opolära ämnen som metan och etan är oväntat. Vanligtvis är sådana ämnen strikt åtskilda, ungefär som olja och vatten, se faktaruta.
Mer om polära och opolära material
Polära material består av molekyler med ojämn laddningsfördelning (en positiv och en negativ sida), medan opolära material har en jämn laddningsfördelning. Polära och opolära ämnen blandar sig ogärna, då polära molekyler hellre interagerar med varandra via elektrostatiska krafter.
Upptäckten av den överraskande interaktionen mellan dessa ämnen kan påverka förståelsen av månens geologi och märkliga landskap av sjöar, hav och sanddyner.
– Dessutom är vätecyanid förmodligen en viktig del i det ursprungliga skapandet av flera av livets byggstenar: exempelvis aminosyror, som är grundläggande för uppbyggnaden av proteiner, och kvävebaser som behövs för arvsmassans genetiska kod. Så vårt arbete bidrar även till nya insikter om kemin innan livet uppstod, och hur den kan fortgå i extrema, ogästvänliga miljöer, säger Martin Rahm.
Vätecyanid väckte funderingar
Bakgrunden till Chalmersstudien är en ännu obesvarad fråga om Titan: Vad händer med all vätecyanid som bildas i dess atmosfär? Forskarna vet att ämnet uppstår där, men det är oklart om det sedan samlas metervis på ytan – eller om det på något sätt reagerar med omgivningen.
För att undersöka detta började en forskargrupp vid Nasas Jet Propulsion Laboratory (JPL) i Kalifornien genomföra experiment. Under extremt låga temperaturer, cirka 180 minusgrader, blandade de vätecyanid med metan och etan, som också finns på Titan. Vid dessa temperaturer är vätecyanid i kristallform, medan metan och etan är i flytande form.
Går emot kemins regler
När forskarna undersökte blandningarna med laserspektroskopi – en metod som gör det möjligt att studera material på atomnivå – såg de att molekylerna var intakta. Ändå hade något förändrats. För att förstå vad som pågick kontaktade de Martin Rahms forskargrupp som studerat just vätecyanid.
– Det här ledde till ett spännande teoretiskt och experimentellt samarbete mellan Chalmers och Nasa. Frågan som vi ställde oss var lite galen: Kan mätningarna på Nasa förklaras med hjälp av en kristallstruktur där metan eller etan är blandat med vätecyanid? Det går tvärs emot en grundregel inom kemi, ”lika löser lika”, som innebär att de här polära och opolära ämnena inte bör går att kombinera, säger Martin Rahm.
Nya kristallstrukturer bildades
Med hjälp av en stor mängd beräkningar och datorsimuleringar testade Chalmersforskarna tusentals olika sätt att ordna ämnena. I analysen upptäckte de att kolvätena hade trängt in i strukturen på vätecyaniden och bildat nya stabila kristallstrukturer – så kallade samkristaller.
– Det här kan ske vid väldigt låga temperaturer, som de som råder på Titan. Våra beräkningar förutspådde inte bara att de oväntade blandningarna är stabila under Titans förhållanden, utan även flera ljusspektra som visade sig sammanfalla väl med Nasas mätningar, säger han.
Upptäckten utmanar en av kemins mest välkända regler, men Martin Rahm tror inte att det är dags att skriva om kemiböckerna.
– Jag ser det som ett fint exempel på när gränserna flyttas inom kemin och att en universellt vedertagen regel inte alltid gäller, säger han.
Rymdsond skickas till Titan
År 2034 väntas Nasas rymdsond Dragonfly landa på Titan för att undersöka vad som finns på ytan. Fram till dess planerar Martin Rahm och hans kollegor att fortsätta studera vätecyanidens kemi – delvis i samarbete med Nasa.
– Vätecyanid finns på många ställen i universum, till exempel i stora stoftmoln, i planeters atmosfärer och i kometer. Kanske kan upptäckterna i vår studie hjälpa oss förstå vad som händer i andra kalla omgivningar i rymden. Och kanske kan vi få svar på om fler opolära molekyler kan komma in i vätecyanidens kristaller, och vad detta i så fall kan ha för betydelse för kemin som föregick livets uppkomst, säger Martin Rahm.
