Enorme compressieve schuifkrachten die worden gegenereerd door de getijdentrekkracht van Jupiter-achtige planeten op hun met rotsachtige, met ijs bedekte manen, kunnen een natuurlijke reactor vormen die eenvoudige aminozuren ertoe aanzet om te polymeriseren tot grotere verbindingen. Deze extreme mechanische krachten versterken de condensatiereacties van moleculen sterk, het openen van een nieuwe arena van mogelijkheden voor de chemische oorsprong van het leven op aarde en andere rotsachtige planeten.

Dat is de conclusie van een nieuwe studie door wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), die de hypothese hebben onderzocht dat compressieve afschuiving de prebiotische chemie kan hebben aangedreven. Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift Chemische Wetenschappen en staat op de omslag van het 30e nummer en als onderdeel van de 2020 Chemische wetenschap HOT artikelverzameling .

Mechanisch gedreven chemie, of mechanochemie, is een relatief nieuw vakgebied. "Het is bekend dat samendrukkende afschuifkrachten fysieke en chemische transformaties in vaste materialen versnellen, " zei LLNL-chemicus Brad Steele, hoofdauteur van de studie, "maar er is weinig bekend over hoe deze processen plaatsvinden, vooral voor eenvoudige prebiotische moleculen zoals aminozuren, die de neiging kunnen hebben om met elkaar te verbinden."

Als testcase is het team concentreerde zich op glycine, het eenvoudigste eiwitvormende aminozuur en een bekend bestanddeel van astrofysische ijzige lichamen. "We hebben ervoor gekozen om glycine te bestuderen omdat het een nuttig reductionistisch model is om de fundamenten van mechanochemische polypeptidesynthese te begrijpen, " zei LLNL-wetenschapper Nir Goldman, een van de auteurs van het onderzoek.

Om de chemie onder zulke ongebruikelijke omstandigheden te onderzoeken, het team ontwikkelde een nieuwe computermodelleringsaanpak op basis van laboratoriumexperimenten. Diamanten aambeeldcellen (DAC's) zijn een bewezen experimenteel hulpmiddel om toegang te krijgen tot extreem hoge drukken door een monster tussen twee diamanten te comprimeren. Roterende DAC's (of RDAC's) voegen een afschuifcomponent toe door een van de diamanten te roteren. "We hebben een virtuele RDAC ontwikkeld om snelle computationele chemiesimulaties van mechanochemie mogelijk te maken, " zei LLNL-chemicus Matt Kroonblawd, die het onderzoek heeft opgezet en gecoördineerd.

Door veel computersimulaties van glycine in een virtuele RDAC, een duidelijk beeld begon te ontstaan. Boven een bepaalde druk elke afschuifsimulatie voorspelde de vorming van grote polymere moleculen. Daaronder bevond zich het eenvoudigste polypeptide:glycylglycine. Er werden ook tal van andere complexe moleculen gevonden, inclusief cyclische en degenen met chirale centra. "Onze studie onthulde een verrassend complexe chemie afkomstig van zo'n eenvoudig molecuul, " zei LLNL-wetenschapper Will Kuo, een van de auteurs.

Het werk wijst op compressieve schuifkrachten als een potentiële driver voor nieuwe en ongebruikelijke chemie in organische materialen. Compressieve afschuifomstandigheden worden in veel situaties bereikt, zoals bij schokken, ontploffingen en in materialen onder grote spanningen. De virtuele RDAC-methodologie zal het mogelijk maken om onder dergelijke omstandigheden snelle voorspellingen te doen van mechanochemie voor andere materialen.