Twee astronomen van het Max Planck Instituut voor Astronomie en van de Universiteit van Jena hebben een elegante nieuwe methode gevonden om de energie van eenvoudige chemische reacties te meten. onder vergelijkbare omstandigheden als die van atomen en moleculen in het vroege zonnestelsel. Hun methode belooft nauwkeurige metingen van reactie-energieën die kunnen worden gebruikt om chemische reacties onder ruimteomstandigheden te begrijpen - inclusief die reacties die verantwoordelijk waren voor het creëren van organische chemicaliën als grondstof voor de ontwikkeling van leven.

Om het leven te kunnen vormen, de natuur had veel grondstoffen nodig in de vorm van complexe organische moleculen. Sommige van die moleculen zijn waarschijnlijk lang geleden gevormd, in de ruimte, tijdens de geboorte van het zonnestelsel. Systematische studies van de noodzakelijke chemische reacties, die plaatsvinden op de steile en ingewikkelde oppervlakken van stofkorrels, werden en worden gehinderd door een gebrek aan gegevens. Welke elementaire reacties, welke individuele reactanten zijn mogelijk? Welke temperatuur is nodig om een ​​reactie te laten plaatsvinden? Welke moleculen ontstaan ​​bij die reacties? Nutsvoorzieningen, Thomas Henning, directeur van het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA), en Sergiy Krasnokutskiy van de MPIA's Laboratory Astrophysics Group aan de Universiteit van Jena hebben een elegante methode ontwikkeld om dergelijke elementaire oppervlaktereacties te bestuderen - met behulp van minuscule vloeibare heliumdruppeltjes.

In het vroege zonnestelsel, lang voor de vorming van de aarde, complexe chemische reactie plaatsvond, het creëren van aanzienlijke hoeveelheden organische moleculen. Het kosmische laboratorium voor deze werken van chemische synthese werd geleverd door stofkorrels - clusters van voornamelijk silicaten en koolstof, bedekt met een mantel van ijs, met ingewikkelde en delicate ranken en vertakkingen, en op basis hiervan met één cruciale eigenschap:een relatief groot oppervlak waarop chemische reacties zouden kunnen plaatsvinden. In de miljoenen jaren die volgen, veel van die stofkorrels zouden samenklonteren om steeds grotere structuren te vormen, Tot uiteindelijk, vaste planeten ontstonden, in een baan om de jonge zon draait.

De grondstoffen voor het leven creëren

Terwijl alle organische verbindingen die op de korreloppervlakken worden gesynthetiseerd zouden worden vernietigd door de onvermijdelijke hitte tijdens de vorming van de planeet, sommige moleculen bleven wachten, ingekapseld in, of zich vastklampen aan het oppervlak van, kleine korrels of brokken steen, evenals in de ijzige lichamen van de kometen. Door een verslag van de geschiedenis van het leven, zodra het aardoppervlak voldoende was afgekoeld om vloeibaar water te vormen, het waren deze granen en rotsen, het aardoppervlak raken in de vorm van meteorieten, sommigen landen in warme, klein, vijvers, die de chemische basis vormden voor de vorming van leven op onze thuisplaneet.

Om de vroege natuurlijke chemische experimenten in ons universum te begrijpen, we moeten de eigenschappen van de verschillende reacties kennen. Bijvoorbeeld, hebben bepaalde reacties een specifieke activeringsenergie nodig om te gebeuren? Wat is het uiteindelijke product van een bepaalde reactie? Die parameters bepalen welke reacties onder welke omstandigheden in het vroege zonnestelsel kunnen plaatsvinden, en ze zijn essentieel voor elke realistische reconstructie van de vroege scheikunde van het zonnestelsel.

Schaarse gegevens over oppervlaktereacties bij lage temperatuur

Toch zijn precieze gegevens over deze reacties verrassend schaars. In plaats daarvan, een aanzienlijk deel van het chemisch onderzoek is gewijd aan de studie van dergelijke reacties in de gasfase, met de atomen en moleculen vrij zwevend, botsen, en het vormen van verbindingen. Maar de cruciale chemische reacties in de ruimte die nodig zijn om grotere organische moleculen op te bouwen, vinden plaats onder duidelijk verschillende omstandigheden - op het oppervlak van stofkorrels. Dit verandert zelfs de basisfysica van de situatie:wanneer een nieuw molecuul wordt gevormd, de energie van de vorming van chemische bindingen wordt opgeslagen in het nieuw gecreëerde molecuul. Als deze energie niet wordt doorgegeven aan het milieu, het nieuwe molecuul zal snel worden vernietigd. Dit voorkomt de vorming van vele soorten in de gasfase. Op een oppervlak, of in een medium, waar energie gemakkelijk kan worden geabsorbeerd door de extra aanwezige materie, de voorwaarden voor bepaalde soorten reacties die complexe moleculen bouwen, stap voor stap, zijn veel gunstiger.

Henning en Krasnokutskiy ontwikkelden een elegante methode om de energie van dergelijke reacties te meten. Hun maquettes van kosmische laboratoria zijn miniatuur heliumdruppeltjes, enkele nanometers groot, drijven in een hoog vacuüm. De reactanten - dat wil zeggen, de atomen of moleculen die bedoeld zijn om deel te nemen aan de reactie - worden als gassen in de vacuümkamer gebracht, maar in zulke kleine hoeveelheden dat heliumdruppeltjes overweldigend waarschijnlijk een enkel molecuul van elke vereiste soort of geen enkel molecuul oppikken, maar niet meer. De heliumdruppeltjes fungeren als een medium dat, vergelijkbaar met het oppervlak van een stofkorrel, kan reactie-energie absorberen, waardoor reacties kunnen plaatsvinden onder vergelijkbare omstandigheden als die in het vroege zonnestelsel. Dit reproduceert een belangrijk kenmerk van de relevante oppervlaktechemie (hoewel andere eigenschappen, zoals katalytische eigenschappen van een specifiek stofoppervlak, zijn niet gemodelleerd).

Nanodruppels als meetinstrumenten

Verder, de twee astronomen gebruikten de helium-nanodruppels als energiemeters (calorimeters). Als reactie-energie vrijkomt in de druppel, sommige heliumatomen zullen op een voorspelbare manier verdampen. De resterende druppel is nu kleiner dan voorheen - een verschil in grootte dat kan worden gemeten met twee alternatieve methoden:een elektronenstraal (een grotere druppel is gemakkelijker te raken dan een kleinere!) of een nauwkeurige meting van de druk in de vacuümkamer gemaakt door heliumdruppels die de muur raken, waar grotere druppeltjes een grotere druk produceren. Door hun methode te kalibreren met behulp van vooraf in detail bestudeerde reacties, en waarvan de eigenschappen bekend zijn, de twee astronomen waren in staat om de nauwkeurigheid van de methode aanzienlijk te vergroten. Globaal genomen, de nieuwe methode biedt een elegante nieuwe manier om de vormingsroute van complexe organische moleculen in de ruimte te onderzoeken. Dit moet onderzoekers in staat stellen specifieker te zijn over de grondstoffen waarmee de natuur heeft moeten werken in de aanloop naar het ontstaan ​​van leven op aarde. Maar er is meer:

De eerste metingen met de nieuwe techniek bevestigen een trend die al zichtbaar was in andere recente experimenten:op oppervlakken, bij lage temperaturen, koolstofatomen zijn verrassend reactief. De onderzoekers vonden een verrassend hoog aantal - bijna een dozijn - reacties met koolstofatomen die barrièreloos zijn, dat is, die geen extra energie-input nodig hebben om door te gaan, en kan daarom optreden bij zeer lage temperaturen. klaarblijkelijk, de condensatie van atomair gas bij lage temperaturen leidt ongetwijfeld tot de vorming van een grote verscheidenheid aan organische moleculen. Maar die grote mogelijke variëteit betekent ook dat moleculen van elke specifieke soort zeer zeldzaam zullen zijn.

Dit, beurtelings, suggereert dat astronomen de hoeveelheid organische moleculen in de ruimte mogelijk drastisch onderschatten. Als het gaat om het inschatten van overvloed, astronomische waarnemingen onderzoeken de sporenkenmerken (spectraallijnen) van elke moleculaire soort afzonderlijk. Als er veel verschillende soorten organische moleculen zijn, elke afzonderlijke soort kan "onder de radar vliegen". De moleculen zijn mogelijk alleen aanwezig in hoeveelheden die te klein zijn voor astronomen om te detecteren, en bovendien, zelfs de kenmerkende kenmerken van de moleculen (meer in het algemeen die van specifieke functionele groepen die verschillende soorten moleculen gemeen hebben) kunnen enigszins worden gewijzigd, waardoor het molecuul detectie ontwijkt. Maar opgeteld, het is mogelijk dat al deze afzonderlijke soorten moleculen samen een aanzienlijke hoeveelheid materie in de ruimte zouden kunnen vormen - een verborgen ruimtewereld van organische chemie.