Квантовые эффекты позволяют образование сложных органических молекул при сверхнизких температурах

С какой скоростью многие химические реакции идут при температурах ниже 100 К? — С удручающе низкой. Отсюда и мнение многих учёных о том, что для активных химических процессов, предшествующих жизни, нужна довольно тёплая планета — нечто вроде Земли.

Учёные из Лидского университета (Великобритания) во главе с Дуэйном Хёрдом (Dwayne Heard), взявшись проверить это утверждение в лаборатории, выяснили неожиданное. Метанол и гидроксильная группа активно реагируют при –210 °С. А итоговые метоксильные радикалы образуются в 50 раз быстрее, нежели «в комнате». Между тем, по идее, такой процесс вообще не должен идти в условиях, когда воздух превращается в жидкость.

В местах формирования звёзд могут идти химические реакции, приводящие к образованию органических соединений, причём даже при сравнительно малых температурах. (Иллюстрация T. A. Rector & B. A. Wolpa, NOAO, AURA.)

Конечный продукт, уверены авторы работы, мог образовываться только по одному механизму — туннельному эффекту, то есть сугубо квантовому процессу. При ограничении частицы по координате (увеличении её определённости), импульс становится менее определённым. И тогда неопределённость импульса случайным образом может добавить частице энергии для преодоления барьера, и тот с некоторой вероятностью будет преодолён — при той же самой средней энергии частицы.

Макулы Ганеша, гора на Титане, которую подозревают в периодическом извержении воды и аммиака. Если это так, то в окрестностях этого криовулкана запросто могут идти сложнейшие химические реакции. (Иллюстрация Michael Carroll.)

Словом, базисные реакции органической химии могут протекать в космосе, несмотря на сверхнизкие температуры, уверены исследователи. Хотя их работа имела дело с определённой температурой, учёные указывают, что такие же процессы могут иметь место при очень широком температурном диапазоне, включая холодные планетарные атмосферы, регионы звездообразования, звёздный ветер и межзвёздное пространство.

Таким образом, новый механизм для химических реакций может затрагивать как окрестности протозвезды B1-b, где недавно был обнаружен CH₃O, получавшийся экспериментаторами в ходе опытов, так и пригодиться для понимания процессов, идущих в атмосфере Титана.

Млечный Путь. Красным выделены области с температурами порядка 10 К, белым — нагретые до 40 К. Последние близки к лабораторным 63 К, при которых были выявлены интенсивные химические реакции на основе туннельного эффекта. (Иллюстрация ESA, Planck HFI.)

Те же реакции в газовой фазе могут объяснить недавнее обнаружение в космосе диметилового эфира и метилформиата, найденных при весьма низкой температуре, то есть вне контекста непосредственного звездообразования. Пока квантовые процессы, разрешающие вроде бы немыслимые химические реакции при низких температурах, слишком слабо исследованы. Однако не исключено, подчёркивают авторы, что именно они могут быть ответственными за формирование куда более сложных органических веществ, в том числе в условиях, к примеру, атмосферы Титана.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Chemistry.

Подготовлено по материалам Astrobiology Magazine.