Científicos de la Universidad Tecnológica Chalmers de Suecia y la NASA han hecho un descubrimiento sorprendente que desafía uno de los principios fundamentales de la química, al tiempo que proporciona nuevos conocimientos sobre la misteriosa luna Titán de Saturno. En el ambiente intensamente frío de Titán, pueden fusionarse sustancias que normalmente no se mezclarían. Este descubrimiento amplía nuestra comprensión de cómo funcionaba la química antes de que apareciera la vida en la Tierra.
La luna más grande de Saturno ha fascinado a los investigadores durante mucho tiempo porque su evolución puede arrojar luz sobre los primeros procesos químicos que alguna vez dieron forma a nuestro propio planeta. Se cree que la gélida superficie de Titán y su densa atmósfera, rica en nitrógeno y metano, se asemejan a las condiciones que existían en la joven Tierra hace miles de millones de años. Al explorar Titán, los científicos esperan descubrir nuevas pistas sobre los orígenes de la vida.
Martin Rahm, profesor asociado del Departamento de Química e Ingeniería Química de Chalmers, ha pasado años estudiando la química de Titán. Él y sus colegas creen ahora que su último descubrimiento (que ciertos materiales polares y no polares * pueden combinarse en condiciones de frío extremo) puede guiar futuras investigaciones sobre la superficie y la atmósfera de la Luna.
“Se trata de hallazgos muy interesantes que podrían ayudarnos a comprender algo a muy gran escala, una luna como Mercurio”, afirma.
Nuevos conocimientos sobre los componentes básicos de la vida en entornos extremos
Investigación, publicada PNASrevela que el metano, el etano y el cianuro de hidrógeno (compuestos abundantes en la superficie y en la atmósfera de Titán) pueden interactuar de formas que antes se consideraban imposibles. Vale la pena señalar que el cianuro de hidrógeno, una molécula fuertemente polar, puede formar cristales junto con sustancias no polares como el metano y el etano, ya que este tipo de moléculas suelen separarse como el aceite y el agua.
“El descubrimiento de interacciones inesperadas entre estas sustancias podría afectar la forma en que entendemos la geología de Titán y sus paisajes únicos de lagos, océanos y dunas de arena. Además, el cianuro de hidrógeno puede desempeñar un papel importante en la creación abiótica de varios componentes básicos de la vida, por ejemplo, aminoácidos, necesarios para producir proteínas, y sobasógenos, que se utilizan para producir proteínas. Nuestro trabajo también contribuye a la vida”. “Perspectivas sobre la química antes de la aparición y cómo puede ocurrir en ambientes extremos e inhóspitos”, dijo Martin Rahm, quien dirigió la investigación.
Una pregunta sin respuesta llevó a la colaboración de la NASA.
La investigación de Chalmers comenzó con una pregunta simple pero sin resolver sobre Titán: ¿Qué sucede después de que se forma cianuro de hidrógeno en la atmósfera de la luna? ¿Se deposita en capas gruesas sobre la superficie o reacciona de alguna manera con su entorno? Para investigarlo, los científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en California realizaron experimentos mezclando cianuro de hidrógeno con metano y etano a temperaturas extremadamente bajas, de unos 90 Kelvin (unos -180 grados Celsius). A esta temperatura, el cianuro de hidrógeno se convierte en cristal, mientras que el metano y el etano son líquidos.
Cuando el equipo analizó las mezclas mediante espectroscopía láser, que examina sustancias y moléculas a nivel atómico, descubrieron que, aunque las moléculas estaban intactas, había sucedido algo inusual. Para entender esto, se acercaron al grupo de Rahm en Chalmers, conocido por su profunda experiencia en la química del cianuro de hidrógeno.
“Esto dio lugar a una interesante colaboración teórica y experimental entre Chalmers y la NASA. La pregunta que nos hicimos era un poco loca: ¿Pueden las mediciones explicarse mediante una estructura cristalina en la que se mezclan metano o etano con cianuro de hidrógeno? Esto contradice una regla de la química, ‘ya que estos elementos no deben disolverse’ y, por lo tanto, no es posible utilizar sustancias no polares”, afirmó Martin Raham.
Ampliando las fronteras de la química
Los investigadores de Chalmers utilizaron simulaciones por computadora a gran escala para examinar miles de formas diferentes en que las moléculas se organizan en los sólidos en busca de respuestas. En su análisis, descubrieron que los hidrocarburos entraron en la red cristalina del cianuro de hidrógeno y formaron nuevas estructuras estables conocidas como cocristales.
“Esto puede ocurrir a temperaturas muy bajas, como en Titán. Nuestros cálculos predicen que las mezclas inesperadas no sólo son estables en las condiciones de Titán, sino que también tienen un espectro de luz que coincide con las mediciones de la NASA”, afirma.
El descubrimiento desafía una de las leyes de la química más conocidas, pero Martin Rahm no cree que sea el momento de reescribir los libros de texto de química.
“Veo esto como un gran ejemplo de cuando los límites en la química se están moviendo y una regla universalmente aceptada no siempre se aplica”, dice.
En 2034, se espera que la sonda espacial Dragonfly de la NASA llegue a Titán, con el objetivo de investigar lo que hay en su superficie. Hasta entonces, Martin Rahm y sus colegas planean seguir explorando la química del cianuro de hidrógeno, en parte en colaboración con la NASA.
“El cianuro de hidrógeno se encuentra en muchos lugares del universo, por ejemplo en grandes nubes de polvo, en atmósferas planetarias y en cometas. Los resultados de nuestra investigación pueden ayudarnos a comprender lo que sucede en otros entornos fríos del espacio. Y tal vez podamos descubrir si otras moléculas no polares también pueden entrar en los cristales de cianuro de hidrógeno y, en caso afirmativo, qué podría significar este microorganismo”. dicho
Más sobre la investigación
En la revista PNAS se publica un artículo científico sobre la mezcla de cianuro de hidrógeno e hidrocarburos en Titán. Fue escrito por Fernando Izquierdo Ruiz, Morgan L. Cable, Robert Hodis, Tuan H. Vu, Hilda Sandström, Álvaro Lobato Fernández y Martín Rahm. Los investigadores tienen su base en la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia, el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en el Instituto de Tecnología de California (Caltech) en Estados Unidos y la Universidad Complutense de Madrid en España.
La investigación en Chalmers está financiada por el Consejo Sueco de Investigación.
Más sobre titanes y libélulas La luna más grande de Saturno, Titán, es uno de los mundos más inusuales del Sistema Solar y puede compartir características con la evolución temprana de la Tierra. Titán está rodeado por una espesa atmósfera compuesta principalmente de nitrógeno y metano, una composición que puede parecerse a la atmósfera de la Tierra hace miles de millones de años, antes de que surgiera la vida. La luz del sol y otras radiaciones del espacio hacen que estas moléculas reaccionen entre sí, provocando que la Luna quede cubierta por una neblina anaranjada químicamente compleja de compuestos orgánicos (es decir, ricos en carbono). Una de las principales sustancias que se producen de esta forma es el cianuro de hidrógeno.
La superficie extremadamente fría de Titán alberga lagos y ríos de metano y etano líquidos. Es el único otro lugar conocido en nuestro sistema solar, además de la Tierra, donde los líquidos forman lagos en la superficie. Titán tiene clima y estaciones. Hay viento, se forman nubes y llueve, aunque en forma de metano en lugar de agua. Las mediciones también muestran que a muchos kilómetros por debajo de la fría superficie existe probablemente un vasto océano de agua líquida que, en principio, podría albergar vida.
En 2028, la agencia espacial estadounidense NASA planea lanzar la sonda espacial Dragonfly, que se espera que llegue a Titán en 2034. El objetivo es estudiar la química prebiótica, la química anterior a la vida, y buscar signos de vida.
Nota
* Sobre sustancias polares y apolares: Las sustancias polares contienen moléculas que tienen una distribución de carga asimétrica (un lado positivo y otro negativo), mientras que las sustancias no polares tienen una distribución de carga simétrica. Las moléculas polares y no polares rara vez se mezclan, porque las moléculas polares se prefieren entre sí mediante interacciones electrostáticas.
