Ми можемо побачити раннє утворення амінокислот на Землі

Несподівані результати експерименту з розсіювання нейтронів на кафедрі енергетики національної лабораторії Oak Ridge  може відкрити новий шлях для синтезу нових матеріалів, а також допомагають пояснити утворення складних органічних структур, які спостерігаються в міжзоряному просторі.

У статті, опублікованій в журналі  Angewandte Chemie International Edition, міжнародна команда дослідників під керівництвом Хайянь Чжен з Центру високих тисків і техніки передових досліджень в Пекіні, раніше Інституту Карнегі у Вашингтоні, обговорюють використанням високого тиску – а не високих температур – для ініціювання хімічних реакцій.

Їх дослідження дозволить значно поліпшити розуміння вчених складних вуглецевих структур і може запропонувати ключі до утворення амінокислот з небіологічних процесів.

“Під час відкриття відбулося декілька аварій,” сказав Ілля Іванов, вчений-дослідник в Центрі ORNL для нанофазних матеріалів РАН, Департаменту енергетики.

Іванов пояснює, що все це почалося під час дифракційного експерименту нейтронів. При проведенні експерименту з полімеризації високого тиску на хімічної сполуки ацетонітрилу (CH3CN) з використанням приладу SNAP, дослідники виявили несподівану присутність аміаку. Аміак це безбарвний газ, але має дуже відмінний запах, який може бути виявлений в  дуже малій кількості.

“Якщо ви потримаєте ацетонитрил при високому тиску, ви  побачите його реакцію з самим собою, і врешті-решт, він утворює або твердий полімер жовтуватого або чорного кольору, багатий вуглецем матеріал,” сказав Іванов.

Ацетонітрил є одним з цілого ряду органічних сполук, які були виявлені в космічному просторі і, як вважають, бере участь в походженні простих амінокислот, однією з основних молекул життя. При космічній події, такої як падіння  астероїду, згенеровані тиск і температура, можуть бути дуже великими, і в присутності ацетонітрилу, може імітувати експеримент дослідників.

Формування жовтуватого полімеру було очікуваним результатом експерименту SNAP, сказав  вчений Кріс Талк, але сюрприз був попереду.

“Коли зразок розгерметизували і відкрили клітку, був виявлений аміак. Він має дуже відмінний запах,” сказав Талк. “Ми думали,” не повинно бути аміаку в цьому зразку. Таким чином, ми почали шукати те, що могло спричинити появу аміаку “.

Потім досвідчені дослідники спільно з експертами в області передової електронної мікроскопії, матеріалознавства і обчислювальної техніки, намагалися зрозуміти загадкові результати. На основі поєднання комп’ютерного моделювання і мікроскопії, вони прийшли до висновку, що азот залишив зразок ацетонітрилу, в результаті чого виник збагачений матеріалу на основі вуглецю.

“Вуглецевий матеріал, який був залишений показували наші найкращі електронні мікроскопи,” сказав Іванов. “Він мав луковичні шари. – Один шар з вуглецевого листа за іншим. Так азот пішов кудись, але куди він подівся, Він врятувався у вигляді газоподібного аміаку?».

Оскільки каталізатор температури на основі перетворення полімеру в інший матеріал, це здатність викликати хімічну реакцію з допомогою однієї тільки тиску це не незвично.

“Я хотів продовжувати робити ці експерименти, щоб визначити, наскільки ми могли б контролювати структуру вуглецевого матеріалу за рахунок тиску, а не температури,” сказав Іванов, порівнюючи умови експерименту із побутовими скороварками.

“У більшості випадків, скороварки досі використовують високі температури, щоб ретельно готувати продукти. Але з нашими експериментами, ми змогли використати свого роду тиск для приготування їжі при кімнатній температурі, хоча і при набагато більш високому тиску.”

У той час як скороварка працює при 0,1 МПа, в цих експериментах використовували набагато більш високий тиск – до 23000 МПа, що відповідає тиску 650 кілометрів нижче поверхні Землі на межі між його верхньою і нижньою мантією.

“Ця стаття дійсно цікаво для нас”, сказав Талк. “За допомогою цього процесу з додаванням кисню, діоксиду вуглецю або води в реагенти складних вуглецевих структур, ми можемо побачити раннє утворення амінокислот на Землі.”

Дослідники відзначають, що міждисциплінарний досвід в області нейтронних наук і нанонауки, разом з Energy Frontier Research в Extreme Environments (EFree) Center зробив дослідження можливим. EFree це науково-дослідний центр Міністерства енергетики Energy Frontier.

“Одне без іншого неможливо. Два аспекти дослідження, структури і функціональності, були об’єднані через синергетичну роботу. Завдяки спільним зусиллям допомогли користувачам управляти відкриттям нових матеріалів і нових функціональних можливостей , “сказав Іванов.