Чем ниже температура, тем хуже идут химические реакции. И это... несколько удивляет, ведь мы хорошо знаем, что в межзвёздном пространстве много довольно сложных молекул, которые должны были образоваться в ходе активных химических реакций. Но как?
[500x674]

Вверху: молекулярное облако в Персее, где были найдены метоксильные группы. Внизу: туннельный эффект («под горкой») и процесс преодоления потенциального барьера в классической, неквантовой физике («в горку»). (Здесь и ниже иллюстрации APOD / NASA / Dwayne E. Heard et al.)

Дуэйн Херд (Dwayne Heard) из Лидского университета (Великобритания) полагает, что часть процессов может быть объяснена специфическими условиями глубокого космоса. Если молекулы каких-то веществ долго находятся, например, на поверхности одной пылинки, то это позволяет им накопить энергию, выше которой они могут вступать в реакцию с другими веществами-соседями по пылинке.

Правда, не все реакции могут быть объяснены таким образом. В прошлом году астрономы обнаружили в космическом пространстве молекулы метоксильной группы, содержащие углерод, водород и кислород. Находка была сделана не очень далеко — в молекулярном облаке Персея. Воспроизвести её, воссоздавая в лаборатории условия, соответствующие молекулярному облаку, пытались не раз, в том числе на пылинках, но успеха не было.

Как ещё можно получить метоксильную группу? — С помощью реакции гидроксильной группы с метанолом, благо оба компонента представлены в пространстве. Правда, такая реакция имеет приличный энергетический порог, причём настолько высокий, что столько энергии в молекулярном облаке получить просто не удастся. Вот почему до недавних пор этот путь не рассматривался как серьёзный кандидат для моделирования появления метоксильных групп в космосе.

Дуэйн Херд и его коллеги попробовали воссоздать такую реакцию, исходя из принципиально иного подхода. Их ставкой стал туннельный эффект, при котором частица преодолевает потенциальный барьер при полной энергии меньше его высоты. В этом случае реакция не идёт линейно, поскольку эффект имеет вероятностную природу. Но, учитывая значительное количество времени, которое те или иные молекулы могут существовать в одноимённом облаке, шансы на такую реакцию теоретически сохраняются.

Для проверки идеи учёные охладили гидроксильные группы и метанол до 63 К — и получили метоксильные группы. Авторы работы считают, что существенную помощь туннельному эффекту оказало то, что при охлаждении молекулы очень сильно замедлились, а при таких условиях вероятность туннелирования частиц начинает повышаться. «При нормальных температурах они просто сталкиваются и разлетаются, а когда вы снижаете температуру, молекулы держатся вместе достаточно долго [чтобы произошло туннелирование]», — поясняет г-н Херд.

Именно поэтому реакция на туннельном эффекте (чисто квантовомехническом явлении) в лабораторных условиях пошла в 50 раз быстрее, чем при комнатной температуре, когда частицы были вынуждены перепрыгивать энергетический барьер и не могли из-за «шума» использовать квантовые процессы.

[500x403]

Схема лабораторного эксперимента по получению метоксильных групп при 63 К.

Итак, невозможное возможно. В космосе, по крайней мере в гигантских молекулярных облаках, идут реакции, с которыми имеет дело органическая химия и которые в принципе должны запрещаться потенциальным барьером, слабо работающим из-за туннельного эффекта. А значит, химия космоса может быть много богаче, чем мы могли себе вообразить. «В межзвёздном пространстве может реализовываться целый набор химических реакций, которые мы просто не могли предусмотреть», — подчёркивает Хелен Фрейзер (Helen Fraser) из Стратклайдского университета (Великобритания), которая не принимала участия в исследовании.

Остаётся нерешённым вопрос о том, могут ли подобные процессы, по сути относящиеся к квантовой химии, отвечать за появление части молекул органических веществ на Земле и других планетах...

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Chemistry.

Подготовлено по материалам NewScientist.
http://compulenta.computerra.ru/veshestvo/himiya/10007655/