Dos astrónomos del Instituto Max Planck de Astronomía y de la Universidad de Jena han encontrado un nuevo método elegante para medir la energía de reacciones químicas simples. en condiciones similares a las encontradas por átomos y moléculas en el sistema solar primitivo. Su método promete mediciones precisas de las energías de reacción que se pueden utilizar para comprender las reacciones químicas en condiciones espaciales, incluidas aquellas reacciones que fueron responsables de crear sustancias químicas orgánicas como materia prima para el desarrollo de la vida.

Para que se forme la vida la naturaleza necesitaba abundantes materias primas en forma de complejas moléculas orgánicas. Es probable que algunas de esas moléculas se hayan formado mucho antes, en el espacio, durante el nacimiento del sistema solar. Estudios sistemáticos de las reacciones químicas necesarias, que tienen lugar en las superficies escarpadas y enrevesadas de los granos de polvo, fueron y se ven obstaculizados por la falta de datos. ¿Qué reacciones elementales, ¿Qué reactivos individuales son posibles? ¿Qué temperatura se requiere para que tenga lugar una reacción? ¿Qué moléculas se producen en esas reacciones? Ahora, Thomas Henning, director del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), y Sergiy Krasnokutskiy del Grupo de Astrofísica de Laboratorio del MPIA en la Universidad de Jena han desarrollado un método elegante para estudiar tales reacciones superficiales elementales, utilizando diminutas gotas de helio líquido.

En el sistema solar temprano, mucho antes de la formación de la Tierra, tuvo lugar una reacción química compleja, creando cantidades sustanciales de moléculas orgánicas. El laboratorio cósmico para estos trabajos de síntesis química fue proporcionado por granos de polvo, grupos de principalmente silicatos y carbono, cubierto con un manto de hielo, con complicados y delicados zarcillos y ramificaciones, y sobre esta base con una propiedad crucial:una superficie comparativamente grande en la que podrían tener lugar reacciones químicas. En los millones de años que siguen, muchos de esos granos de polvo se agruparían para formar estructuras cada vez más grandes, hasta que finalmente, surgieron planetas sólidos, orbitando el joven sol.

Creando las materias primas para la vida

Si bien todos los compuestos orgánicos sintetizados en las superficies de los granos serían destruidos por el inevitable calor durante la formación del planeta, algunas de las moléculas se quedaron esperando, encapsulado en, o aferrándose a la superficie de, granos o trozos de roca más pequeños, así como en los cuerpos helados de los cometas. Por un relato de la historia de la vida, una vez que la superficie de la Tierra se enfrió lo suficiente como para que se formara agua líquida, fueron estos granos y rocas, golpeando la superficie de la Tierra en forma de meteoritos, algunos de ellos aterrizan en caliente, pequeña, estanques que proporcionó la base química para que se formara la vida en nuestro planeta de origen.

Para comprender los primeros experimentos químicos naturales en nuestro universo, necesitamos conocer las propiedades de las diversas reacciones. Por ejemplo, ¿Ciertas reacciones necesitan una energía de activación específica para suceder? ¿Cuál es el producto final de una reacción dada? Esos parámetros determinan qué reacciones pueden ocurrir bajo qué condiciones en el sistema solar temprano, y son clave para cualquier reconstrucción realista de la química primitiva del sistema solar.

Datos escasos sobre reacciones superficiales a baja temperatura.

Sin embargo, los datos precisos sobre estas reacciones son sorprendentemente escasos. En lugar de, una parte sustancial de la investigación química se dedica al estudio de tales reacciones en fase gaseosa, con los átomos y moléculas flotando libremente, chocar y compuestos formadores. Pero las reacciones químicas cruciales en el espacio necesarias para construir moléculas orgánicas más grandes tienen lugar en condiciones marcadamente diferentes:en las superficies de los granos de polvo. Esto cambia incluso la física básica de la situación:cuando se forma una nueva molécula, la energía de la formación del enlace químico se almacena en la molécula recién creada. Si esta energía no se transmite al medio ambiente, la nueva molécula se destruirá rápidamente. Esto evita la formación de muchas especies en fase gaseosa. En una superficie o en un medio, donde la energía puede ser absorbida fácilmente por la materia adicional presente, las condiciones para ciertos tipos de reacciones que forman moléculas complejas, paso a paso, son mucho más favorables.

Henning y Krasnokutskiy desarrollaron un método elegante para medir la energía de tales reacciones. Sus maquetas de laboratorios cósmicos son gotitas de helio en miniatura, unos pocos nanómetros de tamaño, a la deriva en un alto vacío. Los reactivos, es decir, los átomos o moléculas destinados a participar en la reacción - se llevan a la cámara de vacío como gases, pero en cantidades tan diminutas que es abrumadoramente probable que las gotas de helio recojan una sola molécula de cada especie requerida o ninguna, pero no más. Las gotas de helio actúan como un medio que, similar a la superficie de un grano de polvo, puede absorber la energía de reacción, permitiendo que las reacciones ocurran en condiciones similares a las del sistema solar primitivo. Esto reproduce una característica clave de la química de superficie relevante (aunque otras propiedades, como las propiedades catalíticas de una superficie de polvo específica, no están modelados).

Nanogotas como dispositivos de medición

Es más, los dos astrónomos utilizaron las nanogotas de helio como dispositivos de medición de energía (calorímetros). A medida que se libera energía de reacción en la gota, algunos de los átomos de helio se evaporarán de forma predecible. La gota restante es ahora más pequeña que antes:una diferencia de tamaño que se puede medir con dos métodos alternativos:un haz de electrones (¡una gota más grande es más fácil de alcanzar que una más pequeña!) O una medición precisa de la presión en la cámara de vacío. creado por gotas de helio que golpean la pared, donde las gotas más grandes producen una mayor presión. Al calibrar su método utilizando reacciones que se habían estudiado en detalle de antemano, y cuyas propiedades son conocidas, los dos astrónomos pudieron aumentar considerablemente la precisión del método. Considerándolo todo, El nuevo método proporciona una nueva forma elegante de investigar la vía de formación de moléculas orgánicas complejas en el espacio. Esto debería permitir a los investigadores ser más específicos sobre las materias primas con las que tuvo que trabajar la naturaleza en el período previo al surgimiento de la vida en la Tierra. Pero hay más:

Las primeras mediciones con la nueva técnica confirman una tendencia que ya había sido visible en otros experimentos recientes:en superficies, a bajas temperaturas, los átomos de carbono son sorprendentemente reactivos. Los investigadores encontraron un número sorprendentemente alto, casi una docena, de reacciones que involucran átomos de carbono que no tienen barreras. es decir, que no requieren un aporte de energía adicional para continuar, y por lo tanto puede ocurrir a temperaturas muy bajas. Evidentemente, la condensación de gas atómico a bajas temperaturas conduce a la formación de una gran variedad de moléculas orgánicas. Pero esa gran variedad posible también significa que las moléculas de cada especie específica serán muy raras.

Esta, Sucesivamente, sugiere que los astrónomos podrían estar subestimando drásticamente la cantidad de moléculas orgánicas en el espacio exterior. Cuando se trata de estimar abundancias, Las observaciones astronómicas examinan las firmas de trazas (líneas espectrales) de cada especie molecular por separado. Si hay muchas especies diferentes de moléculas orgánicas, cada especie separada puede "volar bajo el radar". Sus moléculas pueden estar presentes solo en cantidades demasiado diminutas para que los astrónomos las detecten, y además, incluso las firmas reveladoras de las moléculas (más generalmente las de grupos funcionales específicos comunes a diferentes tipos de moléculas) podrían alterarse ligeramente, haciendo que la molécula evite la detección. Pero sumado, Es posible que todas estas especies separadas de moléculas juntas puedan formar una cantidad sustancial de materia en el espacio exterior, un mundo oculto de química orgánica en el espacio exterior.