Химики открыли то, что «невозможные» реакции на холоде происходят с большой силой, что может изменить наше понимание того, как алкоголи формируются и разрушаются в космосе.
Чтобы объяснить невозможное, исследователи предлагают квантовый механический феномен, известный как «квантовое тоннелирование», поддерживает химическую реакцию. Они обнаружили, что скорость, при которой происходит реакция, в 50 раз быстрее при -210 С, чем при комнатной температуре.
Именно жесткие условия делают космическую химию такой сложной для понимания; чрезвычайно холодные условия должны останавливать химические реакции, так как недостаточно энергии для установления химических связей. Ранее предполагалось, что пылевые частицы – которые можно найти в межзвездных облаках, например – могут помочь в понимании химических реакций.
Идея состоит в том, что частицы пыли могут выступать как перевалочный пункт для прохождения реакции, так как комплексные молекулы цепляются за твердую поверхность. Однако в прошлом году, высокоактивные молекулы, называемые «метокси-радикалы» была обнаружена в космосе и ее формирование не может быть объяснено этим способом.
Лабораторные эксперименты показали, что когда ледяная смесь, содержащая метанол, облучается радиацией – как это происходит в космосе при сильной радиации от ближайших звезд – метокси-радикалы не выделялись в испускаемых газах. Эти выводы предполагали, что газ метанол был задействован в производстве метокси-радикалов, которые можно обнаружить в космосе, скорее, чем какой-либо процесс на поверхности частиц пыли. Но это вновь поднимает проблему того, как газы могут вступать в реакцию в чрезвычайно холодных условиях.
«Ответ лежит в области квантовой механики», говорит профессор Двайн Хеард, возглавляющий кафедру химии в Университете им. Лидса, который руководил исследованиями. «Химические реакции замедляются по мере уменьшения температуры, и остается все меньше энергии для прохождения «барьера реакции». Однако квантовая механика говорит нам, что возможно смухлевать и проникнуть сквозь этот барьер вместо прохождения над ним. Это называется «квантовый тоннель»».
Чтобы успешно проникнуть сквозь квантовый барьер, требуются экстремально высокие температуры, наподобие тех, которые существуют в межзвездном пространстве и в атмосфере некоторых планетарных тел, наподобие Титана. «Мы полагаем, что «промежуточные продукты» формируются на первой стадии реакции, которые могут существовать достаточно долго для квантового туннелирования при экстремально холодных температурах», говорит Хеард.
Исследователи были способны воссоздать холодное окружение космоса в лаборатории и наблюдать реакции алкоголя метанола в окисляющей среде, называемой «гидроксильный радикал» при -210 С. Они обнаружили, что метокси-радикалы вступают не только в этих газах при экстремально холодных температурах, но также и скорость реакции в 50 раз быстрее, чем при комнатной температуре.
Чтобы добиться этого, исследователи должны были создать новую экспериментальную среду. «Проблема в том, что газы конденсируются как только они соприкасаются с холодной поверхностью», говорит Робин Шеннон из Университета им. Лидса, который проводил эксперимент. «Потому мы взяли идею у ускорителей, которые использовались в ракетных ускорителях Апполона Сатурн 5 для создания коллиматорных струй газа, которые вступают в реакцию даже без соприкосновения с поверхностью».
В настоящее время исследователи проводят реакции с другими алкоголями при очень холодных температурах. «Если наши результаты будут показывать похожее ускорение реакции при холодных температурах, тогда выяснится, что ученые постоянно недооценивали скорости формирования и разрушения комплексных молекул, таких как алкоголи, в космосе», делает вывод Хеард.