A maior lua de Saturno tem fascinado pesquisadores há muito tempo, pois sua evolução pode lançar luz sobre os primeiros processos químicos que moldaram nosso próprio planeta. A superfície gelada de Titã e sua densa atmosfera, rica em nitrogênio e metano, são consideradas semelhantes às condições que existiam na jovem Terra bilhões de anos atrás. Ao explorar Titã, os cientistas esperam descobrir novas pistas sobre as origens da vida.

Martin Rahm, professor associado do Departamento de Química e Engenharia Química da Chalmers, passou anos investigando a química de Titã. Ele e seus colegas agora acreditam que sua mais recente descoberta – de que certas substâncias polares e apolares* podem se combinar sob frio extremo – pode orientar futuras pesquisas sobre a superfície e a atmosfera da lua.

“Essas são descobertas muito empolgantes que podem nos ajudar a entender algo em uma escala muito grande, uma lua tão grande quanto o planeta Mercúrio,” diz ele.

Novas percepções sobre os blocos de construção da vida em ambientes extremos

O estudo, publicado na PNAS, revela que metano, etano e cianeto de hidrogênio – compostos abundantes na superfície de Titã e em sua atmosfera – podem interagir de maneiras antes consideradas impossíveis. O fato de que o cianeto de hidrogênio, uma molécula fortemente polar, pode formar cristais junto com substâncias apolares como metano e etano é notável, já que esses tipos de moléculas normalmente permanecem separadas, assim como óleo e água.

“A descoberta da interação inesperada entre essas substâncias pode afetar nossa compreensão da geologia de Titã e suas estranhas paisagens de lagos, mares e dunas de areia. Além disso, o cianeto de hidrogênio provavelmente desempenhará um papel importante na criação abiótica de vários blocos de construção da vida, por exemplo, aminoácidos, que são usados na construção de proteínas, e nucleobases, que são necessárias para o código genético. Portanto, nosso trabalho também contribui com percepções sobre a química antes do surgimento da vida e como ela pode evoluir em ambientes extremos e inóspitos,” diz Martin Rahm, que liderou o estudo.

Uma pergunta não respondida levou à colaboração da NASA

A pesquisa da Chalmers começou com uma pergunta simples, mas não resolvida sobre Titã: O que acontece com o cianeto de hidrogênio após sua formação na atmosfera da lua? Ele se acumula em camadas espessas na superfície ou reage com seu entorno de alguma forma? Para investigar, cientistas do Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da NASA, na Califórnia, realizaram experimentos misturando cianeto de hidrogênio com metano e etano a temperaturas extremamente baixas de cerca de 90 Kelvin (aproximadamente -180 graus Celsius). A essas temperaturas, o cianeto de hidrogênio se torna um cristal, enquanto o metano e o etano permanecem líquidos.

Quando a equipe analisou as misturas usando espectroscopia a laser, que examina materiais e moléculas em nível atômico, descobriram que, embora as moléculas permanecessem intactas, algo incomum havia ocorrido. Para entender isso, eles entraram em contato com o grupo de Rahm na Chalmers, conhecido por sua vasta expertise na química do cianeto de hidrogênio.

“Isso levou a uma colaboração teórica e experimental empolgante entre Chalmers e a NASA. A pergunta que nos fizemos era um pouco ousada: As medições podem ser explicadas por uma estrutura cristalina na qual metano ou etano estão misturados com cianeto de hidrogênio? Isso contraria uma regra na química, ‘semelhante dissolve semelhante’, que basicamente afirma que não deveria ser possível combinar essas substâncias polares e apolares,” diz Martin Rahm.

Expandindo os limites da química

Os pesquisadores de Chalmers usaram simulações computacionais em larga escala para testar milhares de maneiras diferentes de organizar as moléculas no estado sólido, em busca de respostas. Em sua análise, eles descobriram que hidrocarbonetos penetraram na rede cristalina do cianeto de hidrogênio e formaram novas estruturas estáveis conhecidas como co-cristais.

“Isso pode acontecer a temperaturas muito baixas, como as de Titã. Nossos cálculos previam não apenas que as misturas inesperadas são estáveis nas condições de Titã, mas também que os espectros de luz coincidem bem com as medições da NASA,” ele diz.

A descoberta desafia uma das regras mais conhecidas da química, mas Martin Rahm não acha que é hora de reescrever os livros de química.

“Vejo isso como um bom exemplo de quando limites são deslocados na química e uma regra universalmente aceita não se aplica sempre,” ele diz.

Em 2034, a sonda espacial Dragonfly da NASA deve chegar a Titã, com o objetivo de investigar o que há em sua superfície. Até lá, Martin Rahm e seus colegas pretendem continuar explorando a química do cianeto de hidrogênio, em parte em colaboração com a NASA.

“O cianeto de hidrogênio é encontrado em muitos lugares do Universo, por exemplo, em grandes nuvens de poeira, em atmosferas planetárias e em cometas. As descobertas do nosso estudo podem nos ajudar a entender o que acontece em outros ambientes frios no espaço. E podemos descobrir se outras moléculas apolares também podem entrar nos cristais de cianeto de hidrogênio e, se sim, o que isso pode significar para a química anterior ao surgimento da vida,” diz ele.

Mais sobre a pesquisa

O artigo científico “Cianeto de hidrogênio e hidrocarbonetos se misturam em Titã” foi publicado na revista PNAS. Foi escrito por Fernando Izquierdo Ruiz, Morgan L. Cable, Robert Hodyss, Tuan H. Vu, Hilda Sandström, Alvaro Lobato Fernandez e Martin Rahm. Os pesquisadores estão baseados na Universidade de Chalmers, na Suécia, no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (JPL) no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), EUA, e na Universidad Complutense de Madrid, Espanha.

A pesquisa na Chalmers foi financiada pelo Conselho Sueco de Pesquisa.

Mais sobre Titã e Dragonfly

A maior lua de Saturno, Titã, está entre os mundos mais incomuns do Sistema Solar – e pode compartilhar características com a evolução inicial da Terra. Titã é cercada por uma atmosfera espessa composta principalmente de nitrogênio e metano, uma composição que pode se assemelhar à atmosfera da Terra bilhões de anos atrás, antes do surgimento da vida. A luz solar e outra radiação do espaço fazem essas moléculas reagirem entre si, razão pela qual a lua está envolta em uma névoa quimicamente complexa e de cor laranja, composta de compostos orgânicos (ou seja, ricos em carbono). Uma das principais substâncias criadas dessa forma é o cianeto de hidrogênio.

A superfície extremamente fria de Titã abriga lagos e rios de metano e etano líquidos. É o único outro lugar conhecido em nosso sistema solar, além da Terra, onde líquidos formam lagos na superfície. Titã tem clima e estações. Há vento, nuvens se formam e chove, embora sob a forma de metano em vez de água. Medidas também mostram que provavelmente há um grande mar de água líquida a muitos quilômetros abaixo da superfície fria, que, em princípio, pode abrigar vida.

Em 2028, a NASA planeja lançar a sonda espacial Dragonfly, que deve chegar a Titã em 2034. O objetivo é estudar a química pré-biótica, a química que precede a vida, e procurar sinais de vida.

Notas

* Sobre substâncias polares e apolares: Substâncias polares consistem de moléculas com uma distribuição de carga assimétrica (um lado positivo e um lado negativo), enquanto materiais apolares têm uma distribuição de carga simétrica. Moléculas polares e apolares raramente se misturam, porque moléculas polares atraem uma à outra preferencialmente por meio de interações eletrostáticas.