Les conditions glaciales à la surface de la plus grande lune de Saturne, Titan, permettent à des molécules simples présentes dans son atmosphère d’enfreindre l’une des règles les plus fondamentales de la chimie, selon une nouvelle étude.
Selon ce principe, connu sous le nom de « le semblable se dissout », les mélanges contenant à la fois des composants polaires et non polaires, tels que l’huile et l’eau, ne se mélangent généralement pas et forment plutôt des couches séparées.
« Cela contredit une règle en chimie, » le semblable se dissout le semblable « , ce qui signifie fondamentalement qu’il ne devrait pas être possible de combiner ces substances polaires et non polaires », a déclaré l’auteur principal de l’étude. Martin Rahmprofesseur agrégé de chimie, de biochimie et de génie chimique à l’Université de technologie Chalmers, a déclaré dans un communiqué déclaration.
La nouvelle étude, publiée le 23 juillet dans la revue PNASremet en question un pilier de longue date de chimie et pourrait ouvrir la porte à la découverte de structures solides plus exotiques à travers le système solaire.
Recréer la surface de Titan
Les conditions à la surface de Titan présentent une ressemblance frappante avec celles de la Terre primitive, suggèrent les recherches. Son atmosphère contient des niveaux élevés d’azote et de composés d’hydrocarbures simples, le méthane et l’éthane, qui évoluent dans un système météorologique localisé, un peu comme le cycle de l’eau sur Terre.
Cependant, jusqu’à présent, les chercheurs n’étaient pas sûrs du devenir du cyanure d’hydrogène produit par les réactions dans cette atmosphère. Se dépose-t-il à la surface sous forme solide ? Réagit-il avec son environnement ? Ou pourrait-il être transformé en premières molécules de vie ?
Pour étudier ces questions, l’équipe de la NASA a reproduit les conditions à la surface de Titan en combinant des mélanges de méthane, d’éthane et de cyanure d’hydrogène à des températures d’environ moins 297 degrés Fahrenheit (moins 183 degrés Celsius). Une analyse spectroscopique – une manière d’étudier les produits chimiques à travers leurs interactions avec différentes longueurs d’onde de la lumière – a donné des résultats inattendus, suggérant que ces composés contrastés interagissaient beaucoup plus étroitement que jamais auparavant.
Il est apparu que des molécules de méthane et d’éthane non polaires s’étaient insérées dans des interstices dans la structure cristalline solide du cyanure d’hydrogène – un processus connu sous le nom d’intercalation – pour créer un co-cristal inhabituel contenant les deux ensembles de molécules.
Habituellement, les molécules polaires et non polaires ne se mélangent pas. Les composés polaires, tels que l’eau et le cyanure d’hydrogène, ont une répartition inégale de leur charge dans la molécule, créant des zones légèrement positives et d’autres légèrement négatives. Ces régions de charges opposées sont attirées les unes vers les autres, formant de fortes interactions intermoléculaires entre les différentes molécules polaires et ignorant largement les composants non polaires.
Pendant ce temps, les huiles et les hydrocarbures non polaires ont une disposition de charge entièrement symétrique et interagissent très faiblement avec les molécules non polaires voisines et pas du tout avec les particules polaires. En conséquence, les mélanges contenant des composants polaires et non polaires, tels que l’huile et l’eau, forment généralement des couches distinctes.
Pour expliquer leurs observations bizarres, l’équipe de la NASA a uni ses forces avec des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers pour modéliser des centaines de structures cocristallines potentielles, en évaluant chacune pour sa stabilité probable dans les conditions de Titan.
« Nos calculs prédisent non seulement que les mélanges inattendus sont stables dans les conditions de Titan, mais également des spectres de lumière qui coïncident bien avec les mesures de la NASA », a expliqué Rahm.
Leur analyse théorique a identifié plusieurs formes cristallines stables possibles, qui, selon eux, sont stabilisées par une augmentation surprenante de la force des forces intermoléculaires dans le solide de cyanure d’hydrogène déclenchée par ce mélange.
Leur combinaison rigoureuse de théorie et d’expérience a impressionné Athéna Coustenisplanétologue à l’Observatoire de Paris-Meudon en France. Elle est impatiente de voir comment les futures données, notamment celles de la sonde Dragonfly de la NASA (qui devrait arriver sur Titan en 2034), compléteront les résultats de l’étude.
« La comparaison des spectres de laboratoire avec les données de la prochaine mission Dragonfly pourrait révéler les signatures de ces solides à la surface de Titan, donnant ainsi un aperçu de leurs rôles géologiques et de leur importance potentielle en tant qu’environnements de réaction prébiotiques à basse température », a déclaré Coustenis à Live Science dans un e-mail. Des travaux ultérieurs pourraient même étendre cette approche à d’autres molécules probablement générées par l’atmosphère de Titan, notamment le cyanoacétylène (HC3N), acétylène (C2H2), l’isocyanure d’hydrogène (HNC) et l’azote (N2), dit-elle. « (Cela) permettra de tester si un tel mélange est une caractéristique générale de la chimie organique de Titan. »
