Mặt trăng của sao Thổ phá vỡ quy tắc sơ khai trong hóa học

Phát hiện của NASA và Đại học Công nghệ Chalmers (Thụy Điển) đã làm lung lay nguyên tắc “chất giống nhau thì hòa tan nhau” — một trong những quy tắc cơ bản của hóa học. Trong điều kiện siêu lạnh, hydrogen cyanide (HCN – xyanua hydro) có thể hình thành tinh thể ổn định cùng với methane (CH₄) và ethane (C₂H₆). Phản ứng bất ngờ này có thể giúp lý giải những đặc điểm địa chất bí ẩn trên Titan, đồng thời cung cấp manh mối về cách hình thành các “viên gạch sự sống” thuở sơ khai.

Titan – thế giới băng giá gợi nhớ Trái Đất thời nguyên thủy

Titan từ lâu đã thu hút sự quan tâm của giới khoa học bởi môi trường lạnh giá nhưng phong phú của nó: Có hồ, biển, cồn cát, cùng một bầu khí quyển dày đặc chứa đầy nitrogen, methane và các hợp chất carbon phức tạp. Cấu trúc và thành phần của Titan được cho là có nhiều điểm tương đồng với Trái Đất trong giai đoạn sơ khai, khi sự sống vẫn chưa xuất hiện. Vì thế, việc nghiên cứu Titan có thể giúp nhân loại hiểu rõ hơn về nguồn gốc của chính mình.

Titan bay quanh sao Thổ

Giáo sư Martin Rahm, Phó trưởng khoa Hóa học và Kỹ thuật Hóa học tại Đại học Chalmers, là người đã nhiều năm nghiên cứu hóa học trên Titan. Ông và các cộng sự tin rằng phát hiện mới – rằng các chất phân cực và phi phân cực có thể kết hợp trong điều kiện cực lạnh – có thể mở ra hướng nghiên cứu mới về bề mặt và khí quyển của mặt trăng này.

Rahm hồ hởi nói: “Đây là một phát hiện đầy phấn khích vì nó giúp chúng ta hiểu hơn về một thế giới khổng lồ – một mặt trăng có kích thước gần bằng sao Thủy”.

Phát hiện làm thay đổi hiểu biết về nguồn gốc sự sống

Công trình, được công bố trên tạp chí PNAS, cho thấy methane, ethane và hydrogen cyanide (HCN) – những hợp chất phổ biến trên Titan – có thể tương tác theo cách trước đây bị coi là bất khả thi. Việc HCN – một phân tử có cực mạnh – có thể kết tinh cùng các hợp chất phi cực như methane và ethane là điều rất đáng chú ý, bởi thông thường, hai loại chất này không thể hòa trộn, giống như dầu và nước.

Rahm giải thích: “Phát hiện về sự tương tác bất ngờ này có thể làm thay đổi cách chúng ta hiểu về địa chất Titan, về những vùng hồ, biển và cồn cát kỳ lạ của nó. Bên cạnh đó, HCN được xem là hợp chất đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành tiền sinh học – tạo nên các axit amin dùng để xây dựng protein và các bazơ nitơ cấu thành mã di truyền. Vì vậy, nghiên cứu của chúng tôi không chỉ mở rộng hiểu biết về Titan, mà còn giúp hiểu rõ hơn về hóa học của sự sống trong các môi trường khắc nghiệt”.

Câu chuyện bắt đầu từ một câu hỏi đơn giản: Sau khi hình thành trong khí quyển Titan, HCN sẽ đi đâu? Liệu nó sẽ tích tụ thành lớp dày trên bề mặt, hay sẽ phản ứng với các chất xung quanh?

Để tìm hiểu, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA đã tiến hành thí nghiệm trộn HCN với methane và ethane ở nhiệt độ cực thấp – khoảng 90 Kelvin (−183°C). Ở mức này, HCN kết tinh, trong khi methane và ethane vẫn ở trạng thái lỏng.

Khi phân tích hỗn hợp bằng quang phổ laser – công cụ cho phép quan sát sự thay đổi ở cấp độ nguyên tử – họ nhận thấy các phân tử vẫn nguyên vẹn, nhưng có điều gì đó bất thường đang xảy ra. Để giải mã hiện tượng này, nhóm NASA đã hợp tác với nhóm của Rahm – những chuyên gia hàng đầu về hóa học HCN.

Mô phỏng bề mặt của Titan

Rahm kể lại: “Câu hỏi mà chúng tôi đặt ra nghe có vẻ điên rồ. Liệu có thể giải thích kết quả bằng việc hình thành cấu trúc tinh thể trong đó methane hoặc ethane kết hợp với HCN không? Điều này hoàn toàn trái với quy tắc ‘chất giống nhau hòa tan nhau’ – vốn khẳng định rằng chất phân cực và phi phân cực không thể trộn lẫn”.

Phá vỡ giới hạn của hóa học cổ điển

Đội ngũ Chalmers đã sử dụng các mô phỏng máy tính quy mô lớn để kiểm tra hàng nghìn cấu trúc tinh thể có thể có. Kết quả cho thấy các hydrocarbon đã xâm nhập vào mạng tinh thể của HCN, hình thành các cấu trúc đồng tinh thể (co-crystal) ổn định ở nhiệt độ cực thấp – giống như trên Titan.

Rahm nói: “Các tính toán không chỉ chứng minh rằng những hỗn hợp kỳ lạ này có thể tồn tại bền vững dưới điều kiện Titan, mà còn cho thấy phổ ánh sáng của chúng trùng khớp với kết quả đo của NASA”.

Phát hiện này đã thách thức một trong những quy tắc lâu đời nhất của hóa học, nhưng Rahm cho rằng không cần phải viết lại sách giáo khoa. Ông chia sẻ: “Tôi xem đây như một ví dụ tuyệt đẹp cho thấy ranh giới của khoa học có thể được mở rộng – rằng những quy tắc tưởng chừng tuyệt đối đôi khi lại có ngoại lệ”.

Chuẩn bị cho sứ mệnh Dragonfly khám phá Titan năm 2034

NASA dự kiến phóng tàu thăm dò Dragonfly vào năm 2028 và nếu thành công, con tàu sẽ đến Titan vào năm 2034. Sứ mệnh này nhằm nghiên cứu hóa học tiền sinh học – tức là những phản ứng hóa học có thể dẫn tới sự hình thành sự sống – và tìm kiếm dấu vết của sự sống hiện hữu hoặc đã từng tồn tại.

Trong khi chờ đợi Dragonfly, nhóm nghiên cứu tại Chalmers và NASA sẽ tiếp tục khám phá hóa học của HCN. Rahm cho biết: “HCN được tìm thấy ở nhiều nơi trong vũ trụ – từ các đám mây bụi, khí quyển hành tinh cho đến sao chổi. Phát hiện này có thể giúp chúng ta hiểu thêm về những môi trường lạnh giá khác trong không gian, và liệu những phân tử phi cực khác cũng có thể xâm nhập vào tinh thể HCN hay không. Nếu có, điều đó sẽ mở ra hướng nghiên cứu mới về cách hóa học có thể tiến hóa trước khi sự sống ra đời”.

Bùi Tú