¿Quiénes somos? ¿Por qué estamos aquí? Como dice la canción de Crosby, Stills, Nash & Young, somos polvo de estrellas, resultado de la química que tiene lugar en vastas nubes de gas y polvo interestelar. Para comprender mejor cómo la química puede crear moléculas prebióticas, las semillas de la vida en la Tierra y posiblemente en otros lugares, los investigadores estudiaron el papel que los electrones de baja energía pasan a través de la radiación cósmica de las partículas de hielo. Sus hallazgos también pueden informar aplicaciones médicas y ambientales en nuestro planeta de origen.
El estudiante universitario Kennedy Barnes presentará los hallazgos del equipo en la reunión de otoño de la Sociedad Química Estadounidense (ACS).
“El primer descubrimiento de moléculas en el espacio fue realizado hace más de cien años por la estudiante de Wellesley College, Annie Jump Cannon”, dice Barnes, quien dirigió la investigación en Wellesley con su colega universitario Rong Wu, profesor de química de Christopher Arumanayagam y Phys. Profesor James Butt. Desde el descubrimiento de Canon, los científicos han estado interesados en aprender cómo se forman las moléculas extraterrestres. “Nuestro objetivo es explorar la importancia relativa de los electrones de baja energía frente a los fotones en el desencadenamiento de las reacciones químicas responsables de la síntesis extraterrestre de estas moléculas prebióticas”, explica Barnes.
Algunos estudios que han examinado previamente esta cuestión han sugerido que tanto los electrones como los fotones pueden catalizar la misma reacción. Sin embargo, los estudios de Barnes y sus colegas indican que la producción de moléculas prebióticas a partir de electrones y fotones de baja energía puede variar significativamente en el espacio. “Nuestros cálculos muestran que dentro del hielo cósmico el número de electrones impactados por los rayos cósmicos puede ser mucho mayor que el número de fotones que impactan el hielo”, explica Barnes. “Por lo tanto, es probable que los electrones desempeñen un papel más importante que los fotones en la síntesis extraterrestre de moléculas prebióticas”.
Además del hielo cósmico, su investigación en química de radiación y electrones de baja energía también tiene aplicaciones potenciales en la Tierra. Barnes y sus colegas estudiaron recientemente la radiólisis del agua y encontraron evidencia de la liberación estimulada por electrones de peróxido de hidrógeno y radicales hidropropilo, que destruyen el ozono estratosférico y dañan las especies reactivas de oxígeno en las células.
“Muchos de los resultados de nuestra investigación sobre la radiólisis del agua se pueden utilizar en aplicaciones clínicas y simulaciones médicas”, comparte Barnes, citando el ejemplo del uso de radiación de alta energía para tratar el cáncer. “Una vez un profesor de bioquímica me dijo que los humanos somos básicamente bolsas de agua. Por eso, otros científicos están investigando cómo los electrones de baja energía producidos en el agua son las moléculas de nuestro ADN. ¿Cómo afecta esto?”
También dice que los hallazgos del equipo son aplicables a los esfuerzos de remediación ambiental donde las aguas residuales se tratan con radiación de alta energía, que produce una gran cantidad de electrones de baja energía que pueden destruir productos químicos peligrosos considerados responsables.
Volviendo a la química espacial, en un esfuerzo por comprender mejor la síntesis de moléculas prebióticas, los investigadores no han limitado sus esfuerzos a la modelización matemática. También probaron su hipótesis simulando condiciones de campo en el laboratorio. Utilizan una cámara de vacío ultraalto que contiene un sustrato de cobre ultrapuro que pueden enfriar a temperaturas extremadamente bajas, junto con un cañón de electrones que produce electrones de baja energía y una lámpara de plasma impulsada por láser que produce electrones de baja energía. fotones. Luego, los científicos bombardean las películas de hielo a nanoescala con electrones o fotones para ver qué moléculas se forman.
“Aunque anteriormente nos hemos centrado en cómo se aplica esta investigación a las partículas de hielo interestelares submicrónicas, también es relevante para hielos cósmicos mucho más grandes, como la luna Europa de Júpiter, que tiene 20 es una capa de hielo de millas de espesor”. dice Barnes.
Como tal, sugiere que su investigación ayudará a los astrónomos a comprender los datos de misiones de exploración espacial como el Telescopio Espacial James Webb de la NASA y el Europa Clipper, cuyo lanzamiento se espera para octubre de 2024. Los electrones energéticos alimentan sus modelos astroquímicos que simulan lo que sucede dentro del hielo cósmico.
Barnes y sus colegas también están diseccionando la estructura molecular de las películas de hielo y explorando reacciones de adición de átomos para ver si los electrones de baja energía pueden generar otra química prebiótica. Este trabajo se lleva a cabo en colaboración con investigadores del Laboratorio para el Estudio de la Radiación y la Materia en Astrofísica y Atmósferas de Francia.
“Hay muchas cosas que estamos a punto de aprender, lo cual creo que es realmente interesante y emocionante”, dice Barnes, en lo que ella describe como la nueva era espacial.
Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Fundación Arnold y Mabel Beckman, los premios de la facultad de Wellesley College, las becas Brachman-Hoffman y la cátedra Nancy Harrison Kolodny ’64.
