Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Suecia, y de la agencia espacial estadounidense NASA han realizado un descubrimiento inesperado que desafía una de las reglas básicas de la química y aporta nuevos conocimientos sobre Titán, la enigmática luna de Saturno.
En su entorno extremadamente frío, aún se pueden mezclar sustancias normalmente incompatibles. Este descubrimiento amplía nuestra comprensión de la química anterior al surgimiento de la vida.
Los científicos llevan mucho tiempo interesados en la luna naranja más grande de Saturno, ya que su evolución puede enseñarnos más sobre nuestro planeta y los primeros pasos químicos hacia la vida. El entorno frío de Titán, y su densa atmósfera llena de nitrógeno y metano, presenta muchas similitudes con las condiciones que se cree que existieron en la joven Tierra hace miles de millones de años. Por lo tanto, al estudiar Titán, los investigadores esperan encontrar pistas sobre el origen de la vida.
Martin Rahm, profesor asociado del Departamento de Química e Ingeniería Química de Chalmers, lleva mucho tiempo trabajando para comprender mejor lo que ocurre en Titán. Ahora espera que el sorprendente descubrimiento del grupo de investigación, que indica que ciertas sustancias polares y apolares pueden combinarse, aporte información para futuros estudios sobre Titán. «Estos hallazgos son muy emocionantes y pueden ayudarnos a comprender algo a gran escala, como una luna tan grande como Mercurio», afirma.
Nuevos conocimientos sobre los componentes básicos de la vida en entornos extremos.
El artículo de los investigadores, publicado en PNAS, muestra que el metano, el etano y el cianuro de hidrógeno, presentes en grandes cantidades en la atmósfera y la superficie de Titán, pueden interactuar de una manera que antes no se consideraba posible.
El hecho de que el cianuro de hidrógeno, una molécula excepcionalmente polar, pueda formar cristales con sustancias completamente apolares como el metano y el etano es sorprendente, ya que estas sustancias normalmente permanecen estrictamente separadas, como el aceite y el agua.
«El descubrimiento de la inesperada interacción entre estas sustancias podría influir en nuestra comprensión de la geología de Titán y sus extraños paisajes de lagos, mares y dunas de arena», afirma Martin Rahm, quien dirigió el estudio.
Además, es probable que el cianuro de hidrógeno desempeñe un papel importante en la creación abiótica de varios de los componentes básicos de la vida, por ejemplo, los aminoácidos, que se utilizan para la construcción de proteínas, y las nucleobases, necesarias para el código genético. Por lo tanto, nuestro trabajo también aporta conocimientos sobre la química antes del surgimiento de la vida y cómo podría desarrollarse en entornos extremos e inhóspitos.
Una pregunta sin respuesta condujo a la colaboración con la NASA
El trasfondo del estudio de Chalmers es una pregunta sin respuesta sobre Titán: ¿Qué sucede con el cianuro de hidrógeno después de su creación en la atmósfera de Titán? ¿Hay metros de él depositados en la superficie o ha interactuado o reaccionado con su entorno de alguna manera?
Para buscar la respuesta, un grupo del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en California comenzó a realizar experimentos en los que mezclaron cianuro de hidrógeno con metano y etano a temperaturas tan bajas como 90 Kelvin (aproximadamente -180 grados Celsius). A estas temperaturas, el cianuro de hidrógeno es un cristal, y el metano y el etano son líquidos. Al estudiar dichas mezclas mediante espectroscopia láser, un método para examinar materiales y moléculas a nivel atómico, descubrieron que las moléculas estaban intactas, pero que algo había ocurrido. Para comprenderlo, contactaron con el grupo de investigación de Martin Rahm en Chalmers, que había realizado una extensa investigación sobre el cianuro de hidrógeno.
«Esto dio lugar a una emocionante colaboración teórica y experimental entre Chalmers y la NASA. La pregunta que nos planteamos fue un poco disparatada: ¿Pueden explicarse las mediciones mediante una estructura cristalina en la que el metano o el etano se mezclan con cianuro de hidrógeno? Esto contradice la regla de la química: ‘lo similar se disuelve con lo similar’, lo que básicamente significa que no debería ser posible combinar estas sustancias polares y apolares», afirma Rahm.
Expandiendo los límites de la química
Los investigadores de Chalmers utilizaron simulaciones por computadora a gran escala para probar miles de formas diferentes de organizar las moléculas en estado sólido, en busca de respuestas.
En su análisis, descubrieron que los hidrocarburos habían penetrado la red cristalina del cianuro de hidrógeno y formado nuevas estructuras estables conocidas como cocristales.
«Esto puede ocurrir a temperaturas muy bajas, como las de Titán. Nuestros cálculos predijeron no solo que las mezclas inesperadas son estables en las condiciones de Titán, sino también espectros de luz que coinciden bien con las mediciones de la NASA», afirma.
El descubrimiento desafía una de las reglas más conocidas de la química, pero Martin Rahm no cree que sea el momento de reescribir los libros de química.
«Lo veo como un buen ejemplo de cómo se traspasan los límites en la química y una regla universalmente aceptada no siempre se aplica», afirma.
En 2034, se espera que la sonda espacial Dragonfly de la NASA llegue a Titán con el objetivo de investigar su superficie. Hasta entonces, Martin Rahm y sus colegas planean continuar 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 hallazgos de nuestro estudio podrían ayudarnos a comprender qué sucede en otros entornos fríos del espacio. Y podríamos descubrir si otras moléculas no polares también pueden entrar en los cristales de cianuro de hidrógeno y, de ser así, qué implicaciones podría tener esto para la química que precedió al surgimiento de la vida», afirma.
En 2028, la agencia espacial estadounidense, la 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 que precede a la vida, y buscar indicios de vida.
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