Природу загадкових хімічних реакцій в космосі пояснили за допомогою квантової механіки

 

Учені вже давно цікавляться космічної хімією. Більшість відомих нам хімічних реакцій протікає просто і зрозуміло при кімнатній температурі і без втручань чого-небудь ззовні. Але в космосі умови зовсім інші, ніж в лабораторії: температура дуже низька, рівень радіації дуже високий і так далі. По ідеї, при низькій температурі всі реакції повинні сходити нанівець, оскільки енергії, необхідної для зміни хімічних структур, недостатньо. І все ж, вони відбуваються. Раніше вчені вважали, що каталізатором в даному процесі виступають піщинки, "мешкають" у хмарах міжзоряного газу, але сьогодні з'явилася нова гіпотеза.

Передбачалося, що ці самі піщинки виступають чимось на зразок військового табору для молекул, які збираються на їх твердої поверхні перш ніж вступити в реакцію. Однак у 2012 році в молекулярній хмарі Персея (приблизно 600 світлових років від Землі) була виявлена ​​реакційно-здатна молекула метоксільних радикала (метокси-радикала), яка ніяк не могла сформуватися вищеописаним способом.

Лабораторні експерименти показали, що при дії радіації на крижану метанолових суміш, метокси-радикали не звільняє разом з газовими випарами. Як з'ясувалося, в хімічній реакції були задіяні не процеси, що протікають на поверхні космічних піщинок, а вплив метаноловому газу на виробництво метокси-радикалів. У такому разі постає питання: як же реагують гази при таких низьких температурах?

"Відповідь ми знайдемо в квантовій механіці", - заявив провідний автор дослідження Дуейн Херд (Дуейн чув), глава Школи хімії при університеті Лідса.

"При низьких температурах хімічні реакції протікають повільніше, оскільки в запасі є набагато менше енергії для подолання так званого реакційного бар'єру Але згідно квантової механіки, можна проскочити через цей бар'єр, що не долаючи його Це називається тунельний ефект ..», - Пояснює вчений.

Щоб мав місце тунельний ефект, необхідні дуже низькі температури, які спостерігаються в міжзоряному просторі і атмосферах деяких далеких від зірок небесних тіл - наприклад, Титану, найбільшого природного супутника Сатурна. "Ми вважаємо, що проміжний продукт реакції утворюється на її перших стадіях перебігу Він зберігається протягом дуже короткого періоду часу, достатнього лише для тунельного ефекту при вкрай низьких температурах.», - Каже Херд.

Щоб підтвердити свою гіпотезу про квантову природу космічних хімічних реакцій, дослідники провели лабораторний експеримент. Вони відтворили температуру міжзоряного простору, яка становить 210 градусів за Цельсієм нижче нуля. При цій температурі вони спровокували реакцію між спиртом метанолом і гідроксильних радикалом. Результат експерименту здивував хіміків: реакція між цими газами не тільки справила метокси-радикали, а й сталася в 50 разів швидше при -210 градусах за Цельсієм, ніж при кімнатній температурі.

Щоб досягти таких результатів, дослідникам необхідно було створити принципово нову експериментальну установку. "Справа в тому, що гази конденсуються відразу ж після того, як стикається з холодною поверхнею. Тому ми створили коллімірованним потоки газу, які вступають в реакцію, не стикаючись з поверхнею. Цю технологію ми підгледіли в ракетах-носіях" Сатурн-5 "" , - розповідає Робін Шеннон (Shannon Робін), відповідальний за проведення експериментів.

Дане дослідження є черговим підтвердженням того, що космічний простір є свого роду квантово-механічна лабораторія. Всі хімічні експерименти, проведені на Землі, показували, що чим нижче температура, тим повільніше протікає реакція, але в космосі все виявилося з точністю до навпаки. Це означає, що природу космічного простору навряд чи правильно буде описувати за допомогою звичних нам законів хімії та фізики. Слід вивчати його окремо.

Херд і його колеги вже повідомили про результати свого дослідження в журналі Nature Chemistry, де нещодавно вийшла їх наукова стаття.

На даний момент у тому ж складі команда хіміків займається вивченням реакцій між іншими спиртами при низьких температурах. "Якщо результати наших подальших експериментів покажуть схожу швидкість реакції, що і в перший раз, це означатиме, що вчені вкрай недооцінювали швидкість утворення комплексних молекул, таких як молекули спирту, в космічному просторі», - підсумовує Херд.