Simulering af naturens kosmiske laboratorium, en heliumdråbe ad gangen

To astronomer fra Max Planck Institute for Astronomy og fra University of Jena har fundet en elegant ny metode til at måle energien af ​​simple kemiske reaktioner, under lignende forhold som dem, atomer og molekyler møder i det tidlige solsystem. Deres metode lover nøjagtige målinger af reaktionsenergier, der kan bruges til at forstå kemiske reaktioner under rumforhold - herunder de reaktioner, der var ansvarlige for at skabe organiske kemikalier som råmateriale til udvikling af liv.

For at livet kan dannes, naturen havde brug for masser af råmaterialer i form af komplekse organiske molekyler. Nogle af disse molekyler er sandsynligvis blevet dannet længe før, i rummet, under fødslen af ​​solsystemet. Systematiske undersøgelser af de nødvendige kemiske reaktioner, som finder sted på de forrevne og snoede overflader af støvkorn, var og er hæmmet af mangel på data. Hvilke elementære reaktioner, involverer hvilke individuelle reaktanter er mulige? Hvilken temperatur skal der til for at en reaktion kan finde sted? Hvilke molekyler dannes i disse reaktioner? Nu, Thomas Henning, direktør ved Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), og Sergiy Krasnokutskiy fra MPIA's Laboratory Astrophysics Group ved University of Jena har udviklet en elegant metode til at studere sådanne elementære overfladereaktioner – ved hjælp af små flydende heliumdråber.

I det tidlige solsystem, længe før jordens dannelse, kompleks kemisk reaktion fandt sted, skabe betydelige mængder organiske molekyler. Det kosmiske laboratorium for disse kemiske synteseværker blev leveret af støvkorn - klynger af for det meste silikater og kulstof, dækket med en kappe af is, med komplicerede og sarte ranker og forgreninger, og på dette grundlag med én afgørende egenskab:En forholdsvis stor overflade, hvorpå kemiske reaktioner kunne finde sted. I millioner af år, der følger, mange af disse støvkorn ville klynge sig sammen for at danne stadig større strukturer, indtil endelig, solide planeter opstod, kredser om den unge sol.

Skaber råvarer for livet

Mens alle de organiske forbindelser syntetiseret på kornoverfladerne ville blive ødelagt af den uundgåelige varme under planetdannelsen, nogle af molekylerne ventede, indkapslet i, eller klamrer sig til overfladen af, små korn eller klumper af sten, såvel som i kometernes iskolde kroppe. Ved en beretning om livets historie, når jordens overflade var afkølet tilstrækkeligt til, at flydende vand kunne dannes, det var disse korn og sten, rammer jordens overflade i form af meteoritter, nogle af dem lander i varme, lille, damme, som gav det kemiske grundlag for, at liv kunne dannes på vores hjemmeplanet.

For at forstå de tidlige naturlige kemiske eksperimenter i vores univers, vi skal kende egenskaberne ved de forskellige reaktioner. For eksempel, kræver visse reaktioner en specifik aktiveringsenergi for at ske? Hvad er det endelige produkt af en given reaktion? Disse parametre bestemmer, hvilke reaktioner der kan ske under hvilke forhold i det tidlige solsystem, og de er nøglen til enhver realistisk rekonstruktion af tidlig solsystemkemi.

Knappe data om overfladereaktioner ved lav temperatur

Alligevel er præcise data om disse reaktioner overraskende sparsomme. I stedet, en væsentlig del af den kemiske forskning er dedikeret til undersøgelsen af ​​sådanne reaktioner i gasfasen, med atomer og molekyler svævende frit, kolliderer, og danner forbindelser. Men de afgørende kemiske reaktioner i rummet, der skal til for at opbygge større organiske molekyler, foregår under markant forskellige forhold - på overfladerne af støvkorn. Dette ændrer selv den grundlæggende fysik i situationen:Når et nyt molekyle dannes, energien fra den kemiske bindingsdannelse lagres i det nyskabte molekyle. Hvis denne energi ikke videregives til miljøet, det nye molekyle vil hurtigt blive ødelagt. Dette forhindrer dannelsen af ​​mange arter i gasfasen. På en overflade, eller i et medium, hvor energi let kan absorberes af det tilstedeværende ekstra stof, betingelserne for visse typer reaktioner, der bygger komplekse molekyler, trin for trin, er meget mere gunstige.

Henning og Krasnokutskiy udviklede en elegant metode til at måle energien i sådanne reaktioner. Deres modeller af kosmiske laboratorier er miniature heliumdråber, et par nanometer i størrelse, driver i et højvakuum. Reaktanterne – dvs. de atomer eller molekyler, der er beregnet til at deltage i reaktionen - bringes ind i vakuumkammeret som gasser, men i så små mængder, at heliumdråber er overvældende tilbøjelige til at opfange enten et enkelt molekyle af hver påkrævet art eller ingen, men ikke mere. Heliumdråberne fungerer som et medium, der, ligner overfladen af ​​et støvkorn, kan absorbere reaktionsenergi, tillader reaktioner at ske under lignende forhold som dem i det tidlige solsystem. Dette gengiver et nøgletræk ved den relevante overfladekemi (selvom andre egenskaber, såsom katalytiske egenskaber af en bestemt støvoverflade, er ikke modelleret).

Nanodråber som måleinstrumenter

Desuden, de to astronomer brugte helium nanodråberne som energimåleapparater (kalorimetre). Når reaktionsenergi frigives til dråben, nogle af Helium-atomerne vil fordampe på en forudsigelig måde. Det resterende fald er nu mindre end tidligere – en forskel i størrelse, der kan måles ved hjælp af to alternative metoder:en elektronstråle (et større fald er nemmere at ramme end et mindre!) eller en præcis måling af trykket i vakuumkammeret skabt af heliumdråber, der rammer væggen, hvor større dråber giver større tryk. Ved at kalibrere deres metode ved hjælp af reaktioner, der var blevet undersøgt i detaljer på forhånd, og hvis egenskaber er velkendte, de to astronomer var i stand til at øge metodens nøjagtighed betragteligt. Alt i alt, den nye metode giver en elegant ny måde at undersøge dannelsesvejen for komplekse organiske molekyler i rummet. Dette skulle gøre det muligt for forskerne at være mere specifikke omkring de råstoffer, naturen skulle arbejde med i tiden op til livets opståen på Jorden. Men der er mere:

De første målinger med den nye teknik bekræfter en tendens, der allerede havde været synlig i andre nylige eksperimenter:På overflader, ved lave temperaturer, carbonatomer er overraskende reaktive. Forskerne fandt et overraskende højt antal - næsten et dusin - af reaktioner, der involverer carbonatomer, som er uden barriere, det er, som ikke kræver ekstra energitilførsel for at fortsætte, og kan derfor forekomme ved meget lave temperaturer. Åbenbart, kondensation af atomart gas ved lave temperaturer er bundet til at føre til dannelsen af ​​en lang række organiske molekyler. Men den store mulige variation betyder også, at molekyler af hver specifik art vil være meget sjældne.

Det her, på tur, tyder på, at astronomer måske drastisk undervurderer mængden af ​​organiske molekyler i det ydre rum. Når det kommer til at estimere overflod, astronomiske observationer undersøger sporsignaturerne (spektrallinjer) for hver molekylær art separat. Hvis der er mange forskellige arter af organiske molekyler derude, hver enkelt art kan "flyve under radaren." Dets molekyler er muligvis kun til stede i mængder, der er for små til, at astronomer kan opdage, og derudover selv de afslørende signaturer af molekylerne (mere generelt dem af specifikke funktionelle grupper, der er fælles for forskellige typer af molekyler) kunne ændres lidt, får molekylet til at undgå påvisning. Men sammenlagt, det er muligt, at alle disse separate arter af molekyler tilsammen kunne udgøre en betydelig mængde stof i det ydre rum – en skjult verden af ​​det ydre rum af organisk kemi.