Química em Titã de Saturno: cianeto de hidrogênio forma co-cristais com metano e etano

Uma descoberta sobre Titã, lua de Saturno, abalou aquilo que muitos cientistas tratavam como uma regra básica da química.

Novos resultados indicam que, sob frio extremo, certas moléculas consideradas incompatíveis em termos fundamentais podem, ainda assim, juntar-se e originar sólidos que nunca tinham sido observados antes no Sistema Solar.

Para uma equipa liderada pelo químico Fernando Izquierdo-Ruiz, da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, essa matéria “alienígena” provavelmente é comum em Titã.

"São descobertas muito empolgantes, que podem ajudar-nos a entender algo em escala enorme, uma lua [Titã] tão grande quanto o planeta Mercúrio", afirma o químico Martin Rahm, também da Universidade de Tecnologia Chalmers.

Por que Titã intriga os cientistas

Titã é um recanto particularmente cativante do Sistema Solar. Os seus lagos de metano e outros hidrocarbonetos sustentam uma química complexa que chega perto, de forma tentadora, da química pré-biótica associada ao surgimento da vida. Isso não significa que a vida seja viável ali, mas abre uma janela valiosa para compreender em que condições a vida poderia, em princípio, emergir.

Um elemento central dessa química pré-biótica é o cianeto de hidrogênio, que, quando encontra as condições certas, pode dar origem a compostos capazes de se tornarem “tijolos” da vida, como nucleobases e aminoácidos. Em Titã, o cianeto de hidrogênio existe em abundância.

A regra “semelhante dissolve semelhante” e o papel do cianeto de hidrogênio

Além de abundante, o cianeto de hidrogênio é uma molécula fortemente polar: a distribuição de eletrões (elétrons) é desigual, o que lhe confere uma carga assimétrica.

Em geral, moléculas polares e apolares - como o metano e o etano presentes em Titã - tendem a repelir-se. Forçá-las a misturar exige mais energia do que mantê-las separadas. É o mesmo princípio que faz com que a água (polar) não se misture com o óleo (apolar).

Foi a partir dessa tensão com a regra “semelhante dissolve semelhante” que a equipa começou a investigar como o cianeto de hidrogênio poderia comportar-se em Titã.

Experimentos a -180 °C e a pista nas vibrações moleculares

O ponto de partida veio de cientistas do Laboratório de Propulsão a Jacto (JPL) da NASA, que procuravam entender o que acontece depois que o cianeto de hidrogênio se forma na atmosfera de Titã.

Eles realizaram testes em torno de -180 °C ( -292 °F ), compatíveis com a temperatura da superfície de Titã. Nessa condição extrema, o cianeto de hidrogênio encontra-se na forma cristalina, enquanto o metano e o etano permanecem líquidos.

Após o término do ensaio e a análise das misturas geradas, os investigadores da NASA perceberam que algo tinha mudado - embora não conseguissem determinar com precisão o que era - e, por isso, chamaram os químicos de Chalmers.

"Isso levou a uma colaboração teórica e experimental empolgante entre Chalmers e a NASA", diz Rahm. "A pergunta que fizemos a nós mesmos era um pouco maluca: será que as medições podem ser explicadas por uma estrutura cristalina em que metano ou etano estejam misturados com cianeto de hidrogênio? Isso contraria uma regra da química, 'semelhante dissolve semelhante', que basicamente significa que não deveria ser possível combinar essas substâncias polares e apolares."

O arranjo experimental seguido pela equipa foi semelhante: uma câmara arrefecida até cerca de -180 °C, na qual cristais de cianeto de hidrogênio eram cultivados. Nesse ambiente, os investigadores introduziram metano, etano, propano e butano, e usaram espectroscopia Raman para registar como as moléculas vibravam.

O que apareceu nos registos foram deslocamentos pequenos, mas nítidos, nas oscilações do cianeto de hidrogênio depois da exposição ao metano e ao etano - um sinal de que essas substâncias, apesar de incompatíveis, não estavam apenas lado a lado, e sim a interagir.

A direção dessas alterações sugeria que as ligações de hidrogênio no cianeto de hidrogênio estavam a ser discretamente reforçadas, além de sofrerem ligeiras deformações (curvatura) e alongamento sob a influência do metano e do etano.

Modelagem por computador e co-cristais estáveis em condições de Titã

Na sequência, a equipa recorreu à modelagem computacional para testar a hipótese. As simulações indicaram que metano e etano conseguiam inserir-se nos espaços da rede cristalina do cianeto de hidrogênio, formando estruturas combinadas conhecidas como co-cristais, que se mantêm estáveis em temperaturas semelhantes às de Titã.

Os autores concluíram que, em condições do tipo de Titã, as moléculas não “tremem” com agitação térmica como fazem em temperaturas mais altas. Isso abre caminho para que metano e etano penetrem no cianeto de hidrogênio, evidenciando como moléculas que, em geral, “não se suportam” podem interagir e unir-se.

O que isso pode mudar na geologia de Titã e os próximos passos

"A descoberta da interação inesperada entre essas substâncias pode afetar como entendemos a geologia de Titã e as suas paisagens estranhas de lagos, mares e dunas de areia", afirma Rahm.

Infelizmente, pode levar alguns anos até que a importância dessa química fora do comum seja confirmada. A sonda Dragonfly, aguardada para pousar na lua peculiar de Saturno, não deve chegar à superfície antes de 2034.

"Até lá, essas estruturas representam um lembrete humilde de como a química fundamental pode ser surpreendente", escrevem os investigadores.

Em trabalhos futuros, a equipa pretende identificar que outras substâncias apolares poderiam comportar-se de forma compatível com o cianeto de hidrogênio quando as condições forem exatamente as certas.

A pesquisa foi publicada nos Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS).