В плотной оранжевой дымке, окутывающей Титан, где температура падает до минус 180 градусов Цельсия, протекают химические процессы, невозможные на Земле: молекула циановодорода (HCN), образующаяся в атмосфере из азота, метана и этана, предположительно, способна формировать кристаллы, сочетающие вещества с противоположными свойствами.
Ледяная луна Сатурна, Титан, является единственным объектом в Солнечной системе, помимо Земли, где на поверхности присутствуют моря и озёра. Однако эти водоёмы содержат не воду, а жидкий метан, который, благодаря криогенной среде и плотной атмосфере, циркулирует аналогично воде на Земле. Ранее в Северном полушарии спутника зафиксировали образование метановых облаков, из которых время от времени проливаются дожди из углеводородов (метана и этана).
Для исследователей циановодород (HCN) представляет значительный интерес: это полярная молекула, формирующаяся в верхних слоях холодной атмосферы Титана. Именно она инициирует последовательность химических реакций, в результате которых образуются аминокислоты и другие вещества, необходимые для жизни на ранних этапах ее развития.
К тому же, она ассоциируется с так называемыми толинами — органическими соединениями внеземного происхождения, которые также наблюдают на спутнике Нептуна Тритоне, кометах и карликовой планете Седне. Результаты ранее проведенных исследований, моделирующих образование туманов на Титане, показали, согласно исследованиям, толины способны трансформировать свою структуру и химический состав под воздействием жидкого метана в условиях крайне низких температур.
Наличие циановодорода в облаках и аэрозолях этой луны навело ученых на мысль, что он либо выпадает на поверхность, что, если это происходит, привело бы к образованию многометровых отложений за миллиарды лет, либо вступает в реакцию с окружающей средой.
Международная исследовательская группа во главе с Мартином Рамом (Martin Rahm) и при участии Фернандо Искьердо-Руиса (Fernando Izquierdo-Ruiz) из Технического университета Чалмерса (Швеция) стремилась прояснить все детали и для этого осуществила эксперимент. В ходе работы пары метана и этана конденсировались на кристаллах циановодорода при температурах, приближенных к условиям, преобладающим на поверхности Луны (около минус 180 градусов Цельсия).
Результаты научной работы, опубликованной в журнале PNAS, результаты исследований, проведенных с использованием компьютерного моделирования, продемонстрировали возможность образования на Титане уникальных кристаллов, объединяющих вещества с различными свойствами – полярными и неполярными. Это открытие противоречит общепринятому в химии принципу «подобное растворяется в подобном», который гласит, что растворимость вещества в жидкости возрастает при схожести их полярности и других характеристик. В обычных условиях на Земле, например, масляная капля не растворится в воде, в то время как капля спирта (этанола) растворится).
На Титане полярный циановодород успешно взаимодействует с неполярными метаном и этаном. Рам и Искьердо-Руис провели ряд экспериментов, в которых сконденсировали пары углеводородов на кристаллах HCN, используя спектроскопию для фиксации характерных изменений в спектральных линиях. Эти незначительные «сдвиги» свидетельствуют об усилении водородных связей вследствие внедрения молекул углеводородов в кристаллическую структуру циановодорода. Полученные данные были подтверждены с помощью компьютерного моделирования.
Анализ показал, что сформированные соединения — со-кристаллы — и даже твердые растворы сохраняли свою стабильность в условиях, типичных для поверхности Титана. При этом энергетический перепад между исходными веществами и созданными структурами был незначительным (всего 0,5-1 килоджоуль на моль), что позволяет предположить, что со-кристаллы могли формироваться самопроизвольно на спутнике Сатурна. Наибольшей прочностью отличались структуры, содержащие примерно 10-20% этана.
По всей видимости, эти необычные кристаллы играют существенную роль в изучении минералов Титана: осадки циановодорода на его поверхности способны взаимодействовать с углеводородами. Они фиксируют их в кристаллической структуре, формируя таким образом своеобразные хранилища метана и этана.
Если заключения ученых обоснованы, то колебания температуры и давления приведут к высвобождению сокристаллов, вызывая эрозию и трансформируя рельеф. Этот механизм способен объяснить феномен «метановых островов» — мимолетных структур, наблюдаемые на поверхности метановых морей.
Авторы статьи отметили, что их работа представляет собой важный этап в изучении химии ледяных планет. Ученые планируют окончательно удостоверить наличие со-кристаллов в ходе миссии НАСА Dragonfly, запланированный запуск которого намечен на 2034 год, должен достичь Титана и, согласно проекту, будет функционировать на его поверхности.