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

Uma descoberta sobre Titã, lua de Saturno, colocou em xeque o que os cientistas consideravam uma regra básica da química.

Ali, no frio extremo, algumas moléculas tidas como essencialmente incompatíveis podem se unir para formar sólidos jamais observados antes no Sistema Solar, sugere uma nova pesquisa.

Segundo uma equipe liderada pelo químico Fernando Izquierdo-Ruiz, da Universidade de Tecnologia de Chalmers, na Suécia, essa matéria alienígena provavelmente é abundante em Titã.

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

Titã é um canto fascinante do Sistema Solar. Seus lagos de metano e hidrocarbonetos abrigam uma química complexa, intrigantemente próxima da química prebiótica necessária para dar início à vida. Isso não significa que a vida seja possível ali, mas oferece uma chance de entender as condições nas quais ela poderia surgir.

Um elemento central da química prebiótica é o cianeto de hidrogênio, que, nas condições adequadas, forma compostos capazes de se tornar os blocos básicos da vida, como nucleobases e aminoácidos. O cianeto de hidrogênio é abundante em Titã.

Ele também é uma molécula fortemente polar, com uma distribuição desigual de elétrons que lhe confere uma carga assimétrica.

Em geral, moléculas polares e apolares - como o metano e o etano de Titã - tendem a se repelir. Forçá-las a se unir exige mais energia do que mantê-las separadas. Esse é exatamente o mecanismo que impede a mistura de água (polar) com óleo (apolar).

A investigação dos pesquisadores sobre o provável comportamento do cianeto de hidrogênio em Titã começou com cientistas do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA tentando descobrir o que acontece depois que a molécula se forma na atmosfera de Titã.

Eles realizaram experimentos a temperaturas em torno de -180 graus Celsius (-292 Fahrenheit), compatíveis com as temperaturas da superfície de Titã. Nesse frio extremo, o cianeto de hidrogênio é um cristal, enquanto metano e etano permanecem em estado líquido.

Depois que o experimento terminou e as misturas resultantes foram analisadas, os pesquisadores da NASA perceberam que algo havia mudado, mas não sabiam exatamente o quê. Então, recorreram aos químicos de Chalmers.

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

A configuração experimental era parecida: uma câmara resfriada a cerca de -180 graus Celsius, na qual os pesquisadores cultivaram cristais de cianeto de hidrogênio. Nesse ambiente, eles introduziram metano, etano, propano e butano, usando espectroscopia Raman para registrar como as moléculas vibram.

Eles observaram pequenos, porém nítidos, deslocamentos nas oscilações do cianeto de hidrogênio após a exposição ao metano e ao etano - um sinal de que essas substâncias incompatíveis não estavam apenas lado a lado, mas interagindo de fato.

A direção desses deslocamentos sugeriu que as ligações de hidrogênio no cianeto de hidrogênio estavam sendo sutilmente reforçadas, curvadas e esticadas pelo metano e pelo etano.

Em seguida, a equipe recorreu à modelagem computacional para confirmar a suspeita: metano e etano haviam se infiltrado nos espaços da rede cristalina do cianeto de hidrogênio, combinando-se para formar estruturas conhecidas como co-cristais, que permanecem estáveis em temperaturas semelhantes às de Titã.

Sob condições parecidas com as de Titã, concluíram os pesquisadores, as moléculas não sofrem a agitação térmica que exibem em temperaturas mais altas, o que permitiu ao metano e ao etano penetrar no hidrociâneto, mostrando como moléculas que normalmente "se detestam" podem interagir e se combinar.

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

Talvez ainda seja preciso esperar alguns anos para que a importância dessa química bizarra seja confirmada. Infelizmente, a sonda Dragonfly, muito aguardada, não deve pousar nessa lua incomum de Saturno antes de 2034.

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

Em trabalhos futuros, os cientistas esperam descobrir quais outras substâncias apolares podem interagir bem com o cianeto de hidrogênio quando as condições forem ideais.

A pesquisa foi publicada nos Proceedings of the National Academy of Sciences.