سرنخهایی برای حل رازی قدیمی در منظومهی شمسی!
مجله علمي ايلياد/ بزرگترين قمر زحل، يعني «تيتان»، از لحاظ تراکم و جو غني از نيتروژن که شامل هيدروکربنها و ساير ترکيبات نيز است، در ميان تمام قمرهاي منظومهي شمسي منحصر به فرد است و داستان مربوط به تشکيل اين ترکيب شيميايي غني، منشاء برخي بحثهاي علمي بوده است. در حال حاضر، يک همکاري تحقيقاتي، شامل دانشمنداني در بخش علوم شيمي در آزمايشگاه ملي لارنس برکلي، مکانيسم شيميايي کمدمايي را تنظيم کردهاند که منجر به تشکيل مولکولهاي چندحلقهاي ميشود؛ پيشمادههاي شيمي پيچيدهتري که در حال حاضر در لايهي غباري قهوهاي و نارنجي ماه يافته ميشود. اين مطالعه، به رهبري «رالف کايسر» از دانشگاه هاوايي در مانوآ که در مجلهي Nature Astronomy منتشر شده است، با نظريههايي متناقض است که بيان دارند، براي ساخت آرايش شيميايي که ماموريتهاي ماهوارهاي، در جو تيتان مشاهده کردهاند، به مکانيسمهاي واکنش با دماي بالا نياز است. اين گروه، شامل پژوهشگراني از آزمايشگاه برکلي هاوايي در مانوآ، دانشگاه سامارا در روسيه و دانشگاه بينالمللي فلوريدا نيز بود. اين گروه تحقيقاتي، از آزمايشات نور ماوراء بنفش خلا در منبع نور پيشرفتهي «ALS» آزمايشگاه برکلي و همچنين مدلسازيها و شبيهسازيهاي کامپيوتري استفاده کردند، تا واکنشهاي شيميايياي که موجب شيمي جوي امروزيِ تيتان ميشود را نشان دهند. «مسعيد احمد»، دانشمند بخش علوم شيمي آزمايشگاه برکلي و يکي از رهبران ALS، ميگويد: «ما در اينجا شواهدي را براي مسير واکنش کمدمايي که افراد در مورد آن فکر نکردهاند، ارائه ميدهيم. اين باعث بهبود پيوند از دست رفته در شيمي تيتان ميشود.» وي توضيح داد که تيتان سرنخهايي براي توسعهي شيمي پيچيده روي ساير قمرها و سيارات از جمله زمين، به دست ميدهد. وي گفت: «مردم از تيتان استفاده ميکنند تا درمورد زمينِ قبل از حيات، يعني وقتي نيتروژن در جو اوليهي زمين بسيار غالبتر بود، فکر کنند.» بنزن، هيدروکربن سادهاي با ساختار مولکولي يک حلقهاي و شش کربني، روي تيتان شناسايي شده است و اعتقاد بر اين است که بنزن، عنصر حياتياي براي مولکولهاي هيدروکربني بزرگتر، با ساختارهاي دو و سه حلقهاي باشد که اين به نوبهي خود ساير هيدروکربنها و ذرات آئرويل که اکنون جو تيتان را تشکيل ميدهند را ميسازد. اين مولکولهاي هيدروکربني چندحلقهاي، با نام هيدروکربنهاي اروماتيک چندحلقهاي «PAHs» شناخته ميشوند. اين نمودار، محاسبات براي سطوح بالقوهي انرژي در فرآيندهاي واکنش شيميايي، شامل راديکالهاي نفتيل و گازهاي وينيل استيلن را نشان ميدهد. ترکيب اين گازها ميتواند تعدادي ترکيب، از جمله ترکيبات سه حلقهاي و بيشتر را توليد کند. پژوهشگران در آخرين تحقيق خود، دو گاز شامل، يک گاز PAH دو حلقهاي با عمر کوتاه به نام «راديکال نفتيل يا C10H7» و هيدروکربني به نام «وينيل استيلن يا C4H4» را در ALS ترکيب کردند و در اين فرآيند، PAHs سهحلقهاي توليد کردند. بر اساس آنچه که از آرايش شيميايي جو تيتان ميدانيم، نتيجه گرفته شد که هر دو مادهي شيميايي بهکاررفته براي ايجاد اين واکنش، روي تيتان وجود دارند. آزمايشات ASL، محصولات نهايي واکنشها را از محفظهي کوچک واکنش به دست داد. محققان از آشکارسازي به نام «طيفسنج جرمي بازتابنده» استفاده کردند تا جرم قطعات مولکولي توليدشده در واکنش اين دو گاز را اندازهگيري کنند. آن آزمايشها، جزئياتي را در مورد شيمي PAHs سهحلقهاي «فنانترن و انتراسن» ارائه ميدهد. در حالي که در آزمايشات ASL، براي شبيهسازي واکنش شيمايي از واکنشگر شيميايي و براي تشخيص محصولات واکنش از پرتوي نور ماوراء بنفش خلاء استفاده شد، محاسبات و شبيهسازيها نشان داد که چگونه مواد شيميايي تشکيلشده در آزمايشات ASL، به دماهاي بالا نياز ندارند. کياسر گفت: «PAHs هم مانند مواد شيمايي مورد مطالعه در ASL، داراي خواصي است که شناسايي آنها را در فضاهاي عميقتر دشوار ميسازد. درواقع در فاز گازي محيط بينستارهاي، فقط يک PAH واحد شناسايي نشده است؛ PAH مادهاي است که فضاي بين ستارهها را پُر ميکند. مطالعهي ما نشان ميدهد که PAHs بيش از آنچه پيشبيني شده بود، گسترش يافتهاند، زيرا به دماهاي بالايي که در اطراف ستارگان کربني است، نيازي ندارند. پيشبيني شده که اين مکانيسم، مورد بررسي ما تطبيقپذير باشد و انتظار ميرود که منجر به تشکيل PAHs پيچيدهتر نيز شود.» وي افزود: «از آنجايي که PAHs به عنوان پيشمادههاي تشکيل ابرهاي مولکولي، به اصطلاح کارخانههاي مولکوليِ مولکولهاي آلي پيچيدهتر که شامل پيشمادههاي حيات است، تلقي ميشود، درنتيجه ميتواند نظريهها و مدلهاي جديدي از منشاء و نحوهي تکامل مواد حاوي کربن در فضاي عميق و در جوهاي غني سيارات و قمرهاي آنها در منظومهي شمسي ما، ارائه دهد.» «الکساندر ام. مبل»، استاد شيمي دانشگاه بينالمللي فلوريدا و يکي از رهبران اين مطالعه، محاسباتي را انجام داد که نشان ميدهد واکنشدهندهها چگونه ميتوانند به طور طبيعي، با هم ترکيب شوند و در دماهاي بسيار پايين، ترکيبات جديدي را تشکيل دهند. دانشمندان در هنگام ترکيب دو گاز، يکي داراي ساختار مولکولي دوحلقهاي به نام راديکالهاي نفتيل و ديگري داراي هيدروکربني به نام وينيل استيلن شيمي را بررسي کردند. مبل گفت: «محاسبات ما، مکانيسم واکنش را آشکار ساخت. ما نشان داديم که براي واکنش دادن نفتيل و وينيل استيلن با يکديگر، به هيچ انرژياي نياز نيست؛ بنابراين واکنش حتماً کارآمد است، حتي در شرايط جو کمفشار و کمدماي روي تيتان.» نکتهي مهم در اين مطالعه، مدلسازي دقيق سلول واکنشگر که گازها در آن ترکيب شدند، بود. مبل خاطرنشان کرد که مدلسازي انرژيها و شبيهسازي ديناميک جريان گاز در واکنشگر، به نظارت بر پيشرفت واکنش درون واکنشگر کمک ميکند و به محققان اين امکان را ميدهد تا نتايج نظري را با مشاهدات تجربي، پيوند دهند. اين کار مدلسازي که بر اساس گازهاي اوليه و دما و فشار محفظهي گرمشدهاي که گازها در آن ترکيب ميشوند و با پرتوي فرابنفش خلاء به آنها ضربه وارد ميشود، به پيشبيني مواد شيميايي توليدشده در واکنشها کمک ميکند، توسط اين گروه تحقيقاتي در دانشگاه سامارا، انجام شد. دانشمندان افزودند: «اين بازبيني و تاييد مدل، با مقايسهي آن با آزمايشات، ميتواند در پيشبيني نحوهي انجامشدن واکنش در شرايط متفاوت، از جو تيتان گرفته تا شعلههاي احتراق روي زمين، مفيد و کمککننده باشد.» کياسر گفت: «هدف اين تحقيق مستمر، آشکار ساختن جزئيات اين موضوع است که ترکيبات حاوي کربن با ساختارهايي مشابه با دياناي و آراناي، چگونه ميتوانند حتي در محيطهاي سخت هم ايجاد شوند و توسعه يابند.