Cientistas da Universidade de Tecnologia de Chalmers, na Suécia, e da NASA fizeram uma descoberta surpreendente que desafia um dos princípios fundamentais da química, ao mesmo tempo que oferece novas perspectivas sobre a misteriosa lua de Saturno, Titã. No ambiente intensamente frio de Titã, substâncias que normalmente não podem se misturar são capazes de se combinar. Essa descoberta amplia nossa compreensão de como a química pode ter funcionado antes de a vida aparecer na Terra.
A maior lua de Saturno tem fascinado pesquisadores há muito tempo, pois sua evolução pode iluminar os primeiros processos químicos que moldaram nosso próprio planeta. A superfície fria de Titã e sua densa atmosfera, rica em nitrogênio e metano, são consideradas semelhantes às condições que existiram na jovem Terra bilhões de anos atrás. Ao explorar Titã, os cientistas esperam descobrir novas pistas sobre as origens da própria vida.
Martin Rahm, professor associado no Departamento de Química e Engenharia Química de Chalmers, passou anos investigando a química de Titã. Ele e seus colegas agora acreditam que sua mais recente descoberta — que certas substâncias polares e não polares podem se combinar sob frio extremo — pode orientar futuras pesquisas sobre a superfície e atmosfera da lua.
“Essas são descobertas muito empolgantes que podem nos ajudar a entender algo em uma escala muito grande, uma lua tão grande quanto o planeta Mercúrio”, diz ele.
Novas perspectivas sobre os blocos de construção da vida em ambientes extremos
O estudo, publicado na PNAS, revela que metano, etano e cianeto de hidrogênio — compostos abundantes na superfície e na atmosfera de Titã — podem interagir de maneiras antes consideradas impossíveis. O fato de que o cianeto de hidrogênio, uma molécula fortemente polar, pode formar cristais junto com substâncias não polares como metano e etano é notável, já que esses tipos de moléculas geralmente permanecem separadas, muito parecido com óleo e água.
“A descoberta da interação inesperada entre essas substâncias pode afetar a nossa compreensão da geologia de Titã e suas estranhas paisagens de lagos, mares e dunas de areia. Além disso, o cianeto de hidrogênio provavelmente desempenha um papel importante na criação abiótica de vários blocos de construção da vida, como aminoácidos, que são usados para a construção de proteínas, e nucleobases, que são necessárias para o código genético. Portanto, nosso trabalho também contribui com insights sobre a química antes do surgimento da vida e como ela pode proceder em ambientes extremos e inóspitos”, diz Martin Rahm, que liderou o estudo.
Uma questão sem resposta levou à colaboração com a NASA
A pesquisa de Chalmers começou com uma questão simples, mas não resolvida sobre Titã: O que acontece com o cianeto de hidrogênio depois que ele se forma na atmosfera da lua? Ele se acumula em camadas espessas na superfície ou reage de alguma forma com seu entorno? Para investigar, cientistas do Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da NASA, na Califórnia, realizaram experimentos misturando cianeto de hidrogênio com metano e etano a temperaturas extremamente baixas de cerca de 90 Kelvin (aproximadamente -180 graus Celsius). Nessas temperaturas, o cianeto de hidrogênio se torna um cristal, enquanto metano e etano permanecem líquidos.
Quando a equipe analisou as misturas usando espectroscopia a laser, que examina materiais e moléculas em nível atômico, descobriram que, embora as moléculas permanecessem intactas, algo incomum havia ocorrido. Para entender isso, eles entraram em contato com o grupo de Rahm em Chalmers, conhecido por sua profunda experiência na química do cianeto de hidrogênio.
“Isso levou a uma colaboração teórica e experimental empolgante entre Chalmers e a NASA. A pergunta que nos fizemos era um pouco louca: As medições podem ser explicadas por uma estrutura cristalina na qual metano ou etano está misturado com cianeto de hidrogênio? Isso contradiz uma regra na química, ‘semelhante dissolve semelhante’, que basicamente significa que não deveria ser possível combinar essas substâncias polares e não polares”, diz Martin Rahm.
Ampliando os limites da química
Os pesquisadores de Chalmers usaram simulações de computador em larga escala para testar milhares de maneiras diferentes de organizar as moléculas no estado sólido, em busca de respostas. Em sua análise, descobriram que os hidrocarbonetos haviam penetrado na rede cristalina do cianeto de hidrogênio e formado novas estruturas estáveis conhecidas como co-cristais.
“Isso pode acontecer a temperaturas muito baixas, como as de Titã. Nossos cálculos previram não apenas que as misturas inesperadas são estáveis nas condições de Titã, mas também espectros de luz que coincidem bem com as medições da NASA”, diz ele.
A descoberta desafia uma das regras mais conhecidas da química, mas Martin Rahm não acredita que seja hora de reescrever os livros de química.
“Vejo isso como um belo exemplo de quando os limites são expandidos na química e uma regra universalmente aceita não se aplica sempre”, diz ele.
Em 2034, a sonda espacial da NASA, Dragonfly, deve chegar a Titã, com o objetivo de investigar o que há em sua superfície. Até lá, Martin Rahm e seus colegas planejam continuar explorando a química do cianeto de hidrogênio, em parte em colaboração com a NASA.
“O cianeto de hidrogênio é encontrado em muitos lugares no Universo, por exemplo, em grandes nuvens de poeira, em atmosferas planetárias e em cometas. As descobertas do nosso estudo podem nos ajudar a entender o que acontece em outros ambientes frios no espaço. E podemos descobrir se outras moléculas não polares também podem entrar nos cristais de cianeto de hidrogênio e, se sim, o que isso pode significar para a química antes do surgimento da vida”, diz ele.
Mais sobre a pesquisa
O artigo científico Cianeto de hidrogênio e hidrocarbonetos se misturam em Titã foi publicado na revista PNAS. Foi escrito por Fernando Izquierdo Ruiz, Morgan L. Cable, Robert Hodyss, Tuan H. Vu, Hilda Sandström, Alvaro Lobato Fernandez e Martin Rahm. Os pesquisadores estão baseados na Universidade de Tecnologia de Chalmers, Suécia, no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (JPL) no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), EUA, e na Universidad Complutense de Madrid, Espanha.
A pesquisa em Chalmers foi financiada pelo Conselho Sueco de Pesquisa.
Mais sobre Titã e Dragonfly A maior lua de Saturno, Titã, está entre os mundos mais incomuns do Sistema Solar — e pode compartilhar características com a evolução primitiva da Terra. Titã é cercada por uma espessa atmosfera composta principalmente de nitrogênio e metano, uma composição que pode se assemelhar à atmosfera da Terra bilhões de anos atrás, antes do surgimento da vida. A luz solar e outras radiações do espaço fazem com que essas moléculas reagem entre si, o que explica por que a lua é envolta em uma névoa laranja, quimicamente complexa, composta de compostos orgânicos (ou seja, ricos em carbono). Uma das principais substâncias criadas dessa forma é o cianeto de hidrogênio.
A superfície extremamente fria de Titã abriga lagos e rios de metano e etano líquidos. É o único outro lugar conhecido em nosso sistema solar, além da Terra, onde líquidos formam lagos na superfície. Titã possui clima e estações. Há vento, nuvens se formam e chove, embora sob a forma de metano em vez de água. Medidas também mostram que provavelmente há um grande mar de água líquida a vários quilômetros abaixo da superfície fria que, em princípio, poderia abrigar vida.
Em 2028, a agência espacial dos EUA, NASA, planeja lançar a sonda Dragonfly, que deve chegar a Titã em 2034. O objetivo é estudar a química pré-biótica, a química que precede a vida, e procurar sinais de vida.
Notas
* Sobre substâncias polares e não polares: Substâncias polares consistem em moléculas com uma distribuição de carga assimétrica (um lado positivo e um lado negativo), enquanto materiais não polares têm uma distribuição de carga simétrica. Moléculas polares e não polares raramente se misturam, porque as moléculas polares preferem se atrair umas às outras por meio de interações eletrostáticas.
