Στην απέραντη έκταση του διαστήματος, όπου γεννιούνται τα αστέρια και διαμορφώνονται οι πλανήτες, ένα μόριο παίζει καθοριστικό ρόλο στη διαστρική χημεία.
Το κατιόν τριατομικού υδρογόνου, H₃⁺, θεωρείται βασικός παράγοντας στο σχηματισμό νέων μορίων και στην ψύξη των διαστρικών νεφών αερίων. Η υψηλή οξύτητά του και η ικανότητά του να μεταφέρει πρωτόνια το καθιστούν απαραίτητο σε πολλές χημικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που θέτουν τις βάσεις για τον σχηματισμό αστέρων.
Οι επιστήμονες έχουν από καιρό κατανοήσει τον πρωταρχικό τρόπο σχηματισμού του H₃⁺ – όταν ένα μόριο υδρογόνου (H₂) συγκρούεται με το ιονισμένο αντίστοιχό του, το H₂⁺. Ωστόσο, πρόσφατες έρευνες δείχνουν ότι εναλλακτικοί τρόποι παραγωγής συμβάλλουν επίσης στην αφθονία του στο σύμπαν.
Μια νέα μελέτη από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν (MSU) αποκάλυψε νέα «μονοπάτια», ιδίως για τις ενώσεις που είναι γνωστές ως μεθυλ-αλογόνα και ψευδοαλογόνα.
Τα ευρήματα αυτά, που δημοσιεύονται στο Nature Communications, θα μπορούσαν να αναδιαμορφώσουν την κατανόηση του σχηματισμού H₃⁺ και του αντίκτυπού του στην αστροχημεία.
Ένας μηχανισμός περιπλάνησης σε διπλά ιονισμένα μόρια
Παραδοσιακά, ο σχηματισμός του H₃⁺ θεωρείται ότι συμβαίνει μέσω του μηχανισμού των Hogness και Lunn, κατά τον οποίο οι κοσμικές ακτίνες ιονίζουν το μοριακό υδρογόνο, δημιουργώντας εξαιρετικά δραστικά είδη που δίνουν πρωτόνια σε άλλα μόρια. Ωστόσο, νέα στοιχεία υποδεικνύουν μια πιο σύνθετη και απροσδόκητη διαδικασία.
Η ομάδα του MSU, με επικεφαλής τους Piotr Piecuch και Marcos Dantus, διερεύνησε πώς σχηματίζεται το H₃⁺ σε διπλά ιονισμένα οργανικά μόρια. Ο διπλός ιονισμός συμβαίνει όταν ένα μόριο χάνει δύο ηλεκτρόνια λόγω κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας. Θεωρητικά, αυτό θα έπρεπε να προκαλεί την άμεση διάλυση του μορίου λόγω της απώθησης μεταξύ δύο θετικών φορτίων, ένα φαινόμενο γνωστό ως «έκρηξη Κουλόμπ». Ωστόσο, τα πειράματα λένε μια διαφορετική ιστορία.
Αντί για άμεση διάσπαση, ένα ουδέτερο μόριο υδρογόνου (H₂) παραμένει μερικές φορές συνδεδεμένο με το διπλά ιονισμένο μόριο. Αυτό το μόριο H₂ στη συνέχεια «περιπλανιέται» μέσα στο μοριακό πλαίσιο, αποσπώντας τελικά ένα πρωτόνιο και σχηματίζοντας το H₃⁺. Η συμπεριφορά περιπλάνησης είναι εξαιρετικά ασυνήθιστη και υποδηλώνει ότι το H₃⁺ μπορεί να σχηματιστεί με τρόπους που δεν είχαν προηγουμένως εξεταστεί.
Ο Dantus περιγράφει το φαινόμενο: «Αποδείξαμε ότι το υδρογόνο δεν έφευγε απλώς, αλλά παρέμενε, μερικές φορές για αρκετό καιρό. Αυτό ήταν εξαιρετικά ασυνήθιστο».
Μεθανόλη και μεθυλο-αλογόνα
Για την περαιτέρω διερεύνηση αυτού του μηχανισμού, οι ερευνητές στράφηκαν στα μεθυλο-αλογόνα – οργανικά μόρια που περιέχουν μια ομάδα άνθρακα-υδρογόνου (CH₃) συνδεδεμένη με ένα άτομο αλογόνου, όπως το χλώριο ή το βρώμιο. Τα πειράματα αποκάλυψαν ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, όταν αυτά τα μόρια υφίστανται διπλό ιονισμό, ακολουθούν έναν παρόμοιο μηχανισμό περιπλάνησης για την παραγωγή H₃⁺.
Η μεθανόλη (CH₃OH) παρέχει ένα εντυπωσιακό παράδειγμα αυτής της συμπεριφοράς. Μελέτες που χρησιμοποίησαν τεχνικές ιονισμού με χρονική ανάλυση femtosecond έδειξαν ότι μετά τον διπλό ιονισμό της μεθανόλης, σχηματίζεται ένα μόριο H₂ και μετακινείται μέσα στο δίκλωνο CHOH₂⁺ προτού αποσπάσει ένα πρωτόνιο. Η διαδικασία μπορεί να διαρκέσει μόλις 100 femtoseconds – μια χρονική κλίμακα εξαιρετικά κοντά στο σχηματισμό H₃⁺ σε διαστρικές συνθήκες (δηλαδή στο σύμπαν).
Ένα παρόμοιο μοτίβο εμφανίζεται στο χλωριούχο μεθύλιο (CH₃Cl) και στο βρωμιούχο μεθύλιο (CH₃Br). Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι οι ενώσεις αυτές παράγουν εύκολα H₃⁺ κατά τον διπλό ιονισμό. Ωστόσο, στο φθοριούχο μεθύλιο (CH₃F) και στο ιωδιούχο μεθύλιο (CH₃I), η παραγωγή H₃⁺ είναι αμελητέα. Η τάση αυτή έρχεται σε αντίθεση με τις προσδοκίες που βασίζονται στην ηλεκτραρνητικότητα, γεγονός που υποδηλώνει ότι άλλοι παράγοντες επηρεάζουν την αντίδραση.
Ακόμα πιο αινιγματική είναι η περίπτωση του κυανιούχου μεθυλίου (CH₃CN), μιας ψευδοαλογονούχου ένωσης. Παρά το γεγονός ότι έχει μια εξαιρετικά ηλεκτραρνητική κυανιούχο ομάδα, παράγει ελάχιστα H₃⁺ όταν ιονίζεται διπλά. Αυτή η ασυμφωνία αναδεικνύει την πολυπλοκότητα των υποκείμενων μηχανισμών και υποδηλώνει ότι παράγοντες πέραν της απλής κατανομής φορτίου υπαγορεύουν το σχηματισμό H₃⁺.
Επιπτώσεις για την αστροχημεία και πέραν αυτής
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίζεται το H₃⁺ σε διαφορετικά περιβάλλοντα είναι απαραίτητη για τη βελτίωση των μοντέλων της κοσμικής χημείας. Αυτό το μόριο είναι υπεύθυνο για πολλές θεμελιώδεις αντιδράσεις στο διάστημα, από τη διαμόρφωση των διαστρικών νεφών έως την επίδραση στις πλανητικές ατμόσφαιρες. Για παράδειγμα, το H₃⁺ είναι άφθονο σε γίγαντες αερίων όπως ο Δίας και ο Κρόνος, όπου παίζει ρόλο στη ρύθμιση της ατμοσφαιρικής χημείας.
Με αυτές τις νέες γνώσεις, οι επιστήμονες μπορούν να προβλέψουν καλύτερα πού και σε ποιες ποσότητες σχηματίζεται το H₃⁺. Όπως εξηγεί ο Piecuch, «το H₃⁺ είναι ένα μικρό μόριο που μπορεί να μην είναι τόσο σημαντικό για εμάς στη Γη όσο το νερό ή οι πρωτεΐνες, αλλά είναι ένα μόριο που θέλουμε πραγματικά να κατανοήσουμε όσον αφορά την αφθονία του στο σύμπαν, τον τρόπο παραγωγής του και το πόσο γρήγορες είναι οι χημικές αντιδράσεις του».
Τα ευρήματα αυτά θα μπορούσαν επίσης να επηρεάσουν την έρευνα πέρα από την αστροχημεία. Ο μηχανισμός περιπλάνησης μπορεί να είναι σχετικός σε άλλες χημικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που συμβαίνουν στο πλάσμα, στην καύση, ακόμη και σε βιολογικά συστήματα. Με την καθιέρωση ενός συνόλου παραγόντων που διέπουν τον σχηματισμό του H₃⁺, οι ερευνητές έχουν τώρα ένα πλαίσιο για να διερευνήσουν την παρουσία του σε ένα ευρύ φάσμα μοριακών περιβαλλόντων.
Το μέλλον της έρευνας H₃⁺
Ενώ το τυπικό μονοπάτι «H₂-συναντά το H₂⁺» παραμένει η πρωταρχική πηγή H₃⁺ στο σύμπαν, η ανακάλυψη εναλλακτικών τρόπων σχηματισμού αμφισβητεί τις προηγούμενες υποθέσεις. Τα μοριακά νέφη περιέχουν τεράστιους αριθμούς οργανικών ενώσεων, γεγονός που υποδηλώνει ότι πρόσθετες, προηγουμένως μη αναγνωρισμένες διεργασίες συμβάλλουν στην παραγωγή H₃⁺.
Ο Dantus τονίζει αυτό το σημείο: «Το υδρογόνο είναι το πιο κοινό στοιχείο στο σύμπαν, οπότε η συνάντηση H₂ με H₂⁺ εξακολουθεί να είναι το βασικό σημείο. Ωστόσο, υπάρχουν τόσα πολλά οργανικά μόρια σε αυτά τα διάχυτα μοριακά νέφη που είναι πιθανό πολλά H₃⁺ να εξακολουθούν να σχηματίζονται από τις διαδικασίες που έχουμε μελετήσει».
