Kemijanje u svemiru: sudari u praznini

– „Da bi došlo do kemijske reakcije dvije se molekule moraju sudariti“, počinjao bi predavanje jedan moj, sada već pokojni kolega. – „No nije svejedno kako se sudare, kao što nije svejedno da li se dvoje sudare glavama ili nečim drugim“, nastavio bi na zgražanje snobova i inih malograđana, za koje takve usporedbe nisu nimalo priličile sveučilišnom profesoru i akademiku. Priličile li te usporedbe ili ne, ne može se zanijekati da je rečeni profesor na jednostavan način ušao u srž stvari. Biološki su sustavi selektivni, a kemijski nasumični, stohastički. Treba se dogoditi 10²² do 10²⁴ sudara molekula da bi došlo do kemijske reakcije. Neka vas tako mala vjerojatnost ne zbunjuje. U kubičnom centimetru plina pri normalnom tlaku i temperaturi ima 2,7 × 10¹⁹ molekula koje se kreću brzinama od nekoliko stotina metara u sekundi. Stoga se sudari među molekula dovoljno često događaju da dođe do kemijske reakcije.

Ali što se događa ako se u kubičnom centimetru nalazi samo jedna molekula, kao što se nalazi u međuzvjezdanom plinu? Kako se onda molekule sudaraju i što se pri njihovim sudarima zbiva?

Na to su pitanje pokušali odgovoriti talijanski i španjolski znanstvenici u radu „When two worlds collide: How collision between silicate and carbonaceous nanograins can drive complex chemistry“. Rad još nije formalno objavljen u časopisu Astronomy & Astrophysics, ali se može pronaći na mreži.

Zanimljiv je to članak jer u njemu nema eksperimenta (koji bi doista bilo teško izvesti) nego je sve napravljeno kompjutorskim simulacijama, poglavito metodom molekulske dinamike (MD). Članak je zanimljiv i po tome što se ne bavi sudarima molekula nego sudarima čestica zvjezdane prašine. Takve čestice, nanozrna (nanograins) čine oko jedan posto materijala u difuznim maglicama u kojima se rađaju zvijezde i planeti. I što još? Jedne, anorganske, silikatne čestice nastaju pri drugim uvjetima od drugih, organskih, ugljičnih (carbonaceous) čestica. Unatoč tome mogu se naći na istom mjestu, pa su njihovi sudari doista sudari dvaju svjetova, kao što piše u naslovu.

U svemiru se sudaraju svakakve čestice, i neka se sudaraju, ali ako se hoće njihove sudare matematički modelirati, i sudari i čestice moraju se egzaktno definirati. Kao model silikatne čestice izabrana je čestica forsterita, (Mg₂SiO₄)₈, komponente minerala olivina, možda najčešćeg minerala u svemiru. (Kada je (ne)očekivano taj mineral pronađen na Marsu, novinari su se raspisali kako su na Crvenom planetu pronađeni „mali zeleni“ jer je olivin, očekivano, mineral zelene, maslinaste boje). Drugo nanozrno bila je molekula C₉₀H₄₀, dakle molekula vrlo nezasićenog ugljikovodika – čestica hidrogeniranog amorfnog ugljika (HAC), kako je imenovana u radu. Bitno je da su obje čestice bile podjednake veličine – prva 1,04, druga 1,43 nanometra u promjeru – i podjednake mase.

Kako simulirati sudare? Radi jednostavnosti, autori spomenutog rada uzeli su da se čestice sudaraju čeono, pod kutom od 0^o. Ono što su varirali, bila je međusobna orijentacija čestica (rotacija) i brzina sudara, koja je iznosila od 0,8 do 11,3 km/s. I evo što su ustanovili.

Što će se dogoditi sa česticama ovisi o brzini sudara. Pri brzinama manjima od 1,5 km/s sudar je elastičan – čestice se odbijaju jedna od druge. Pri brzini od 1,5 – 3,5 km/h čestice se počinju sljubljivati (agregirati); što je veće brzina, vjerojatnost je sljubljivanja veća. Pri brzinama 3,5 – 7,5 km/s dolazi do kemijskih reakcija, do formiranja većih čestica koje se drže kovalentnim vezama između silicija i ugljika. Pri još većim brzinama, dolazi do raspada (fragmentacije) čestica pri čemu nastaju molekule organskih spojeva, dakle spojeva u kojima nastaju nove veze između atoma ugljika i vodika. (Što će se točno dogoditi s česticama nakon sudara ovisi o njihovim međusobnim orijentacijama – proces je u biti nasumičan.)

Taj posljednji proces, koji se događa pri brzinama većima od 7,5 km/s, je dakako najzanimljiviji, jer on čini temelj organske kemije u svemiru iz koje je, po svemu sudeći, proizašao život na Zemlji. Ima tu mnogih ugljikovodika, a još više ugljičnih radikala (CH, CH₂, CH₃) od kojih su se formirale složene molekule. Među njima je najviše policikličih aromatskih ugljikovodika (PAU ili, engleski, PAH) koji grade kerogen, najčešći organski materijal u meteoritima (iz kojeg je također – govore neke teorije – proizašao život na našem planetu).

Osim acetilena (C₂H₂), vinilacetilena (C₄H₄) i pentadi-1,4-ina (HCCCH₂CCH) i drugih neobičnih ugljikovodika, ima tu i spojeva s kisikom, ketona i aldehida, također neobičnih (npr. H₂C₂O ili c-C₁₉H₆O). Ukratko, autori spomenutog rada dobili su kompjutorskim simulacijama 10 % spojeva pronađenih u difuznim maglicama. Spomenuti rad baca novo svjetlo na kemiju međuzvjezdanog prostora te je još jedna potvrda da organska kemija ne može bez anorganske, da su život i minerali evoluirali usporedno, u nekoj vrsti simbioze.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, od 2017. u mirovini. Autor je oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske i bioanogranske kemije te povijesti i filozofije znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te za mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, od kojih je – u kontekstu ovog članka – najvažnija The Cookbook of Life –New Theories on the Origin od Life.