Una scoperta sensazionale sulla gelida superficie di Titano, la più grande luna di Saturno, sta scuotendo le fondamenta di uno dei principi più consolidati della chimica: la regola del “simile scioglie il simile“. Scienziati della Chalmers University of Technology in Svezia e della NASA hanno dimostrato che, in condizioni di freddo estremo, sostanze che in teoria non dovrebbero mai miscelarsi possono invece unirsi, formando strutture cristalline stabili. Questa inaspettata reazione non solo getta nuova luce sui misteriosi paesaggi di Titano, ma offre anche indizi cruciali su come si siano potuti formare i mattoni fondamentali della vita prima della sua comparsa sulla Terra.
Quando gli opposti si attraggono: l’eccezione di Titano
La regola “simile scioglie il simile” stabilisce che le sostanze con proprietà chimiche simili (ad esempio, molecole polari come l’acqua si mescolano bene con altre molecole polari) tendono a mescolarsi, mentre quelle dissimili (come l’olio, non polare, e l’acqua, polare) rimangono separate.
Eppure, a temperature glaciali, intorno ai 90 Kelvin (circa -180°C), presenti sulla superficie di Titano, molecole fortemente polari come il cianuro di idrogeno sono state osservate formare cristalli stabili con sostanze non polari come il metano e l’etano, entrambi abbondanti nei laghi e nei mari di idrocarburi della luna.
Il prof. Martin Rahm, a capo della ricerca presso il Dipartimento di Chimica e Ingegneria Chimica di Chalmers, ha spiegato la portata della scoperta: “Sono risultati molto entusiasmanti che possono aiutarci a capire qualcosa su una scala molto vasta, una luna grande quanto il pianeta Mercurio“.
Dalla curiosità astronomica alla chimica teorica
La ricerca è nata da una semplice domanda irrisolta su Titano: che fine fa il cianuro di idrogeno una volta formatosi nell’atmosfera della luna? Si accumula in strati sulla superficie o reagisce in qualche modo? Per indagare, gli scienziati del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA hanno condotto esperimenti, mescolando cianuro di idrogeno con metano ed etano a temperature criogeniche. Sebbene l’analisi iniziale con la spettroscopia laser abbia rivelato che le molecole rimanevano intatte, si era verificato qualcosa di anomalo.
A questo punto, è entrato in gioco il gruppo di Rahm a Chalmers, noto per la sua esperienza nella chimica del cianuro di idrogeno. “La domanda che ci siamo posti era un po’ folle: le misurazioni possono essere spiegate da una struttura cristallina in cui metano o etano sono mescolati con cianuro di idrogeno?” ha raccontato Rahm. “Ciò contraddice una regola della chimica, ‘simile scioglie il simile’, che fondamentalmente significa che non dovrebbe essere possibile combinare queste sostanze polari e non polari“.
La soluzione dalle simulazioni al computer
Utilizzando simulazioni al computer su larga scala, i ricercatori di Chalmers hanno testato migliaia di possibili modi di organizzare le molecole allo stato solido. Le loro analisi hanno portato a una conclusione sorprendente: gli idrocarburi erano riusciti a penetrare il reticolo cristallino del cianuro di idrogeno, formando nuove strutture stabili chiamate co-cristalli.
“Questo può accadere a temperature molto basse, come quelle su Titano. I nostri calcoli hanno predetto non solo che le miscele inattese sono stabili nelle condizioni di Titano, ma anche spettri di luce che coincidono bene con le misurazioni della NASA“, ha spiegato Rahm.
La formazione di questi co-cristalli svela un nuovo meccanismo chimico che potrebbe spiegare la geologia unica di Titano, con i suoi strani paesaggi di dune sabbiose e bacini liquidi.
Implicazioni per l’origine della vita
Titano è da tempo oggetto di fascino per i ricercatori perché il suo ambiente gelido, ricco di azoto e metano, è ritenuto simile alle condizioni presenti sulla Terra primordiale miliardi di anni fa.
Oltre a comprendere la geologia lunare, questa scoperta ha profonde implicazioni per la chimica pre-biotica. Il cianuro di idrogeno, infatti, è considerato una molecola fondamentale per la creazione abiotica (cioè in assenza di vita) di diversi mattoni della vita, come gli amminoacidi (che formano le proteine) e le nucleobasi (necessarie per il codice genetico).
“Il nostro lavoro contribuisce anche a far luce sulla chimica prima dell’emergere della vita, e su come essa potrebbe procedere in ambienti estremi e inospitali“, ha sottolineato Rahm.
Il futuro della ricerca spaziale
Nonostante il mancato rispetto di una regola fondamentale, Rahm non crede sia il momento di riscrivere i libri di chimica, ma piuttosto di riconoscere i limiti: “Lo vedo come un bell’esempio di quando i confini vengono spostati nella chimica e una regola universalmente accettata non si applica sempre“.
La ricerca continuerà in collaborazione con la NASA, in attesa del 2034, anno in cui è previsto l’arrivo su Titano della sonda spaziale Dragonfly , che avrà il compito di indagare direttamente la superficie.
“Il cianuro di idrogeno si trova in molti luoghi dell’Universo, ad esempio nelle grandi nubi di polvere, nelle atmosfere planetarie e nelle comete“, ha concluso Rahm. “I risultati del nostro studio possono aiutarci a capire cosa succede in altri ambienti freddi nello spazio, e se altre molecole non polari possano entrare nei cristalli di cianuro di idrogeno, e in tal caso, cosa ciò potrebbe significare per la chimica che precede l’emergere della vita“.
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