Ионные жидкости, образованные в результате реагирования азотсодержащих органических веществ с серной кислотой, показывают высокую вязкость, разнообразные цвета и текстуры. Кредит: Рахана Агравал
Вода необходима для жизни на Земле. Таким образом, жидкость должна быть требованием для жизни в других мирах. В течение десятилетий определение обитаемости ученых на других планетах опиралось на это предположение.
Но то, что делает некоторых планет, обитаемые, может иметь очень мало общего с водой. На самом деле, совершенно другой тип жидкости может, по -видимому, поддерживать жизнь в мирах, где вода едва может существовать. Это вероятно, что ученые MIT воспитывают в исследовании, появившемся на этой неделе в процессах Национальной академии наук.
Из лабораторных экспериментов исследователи обнаружили, что тип жидкости, известного как ионная жидкость, может легко образуется из химических ингредиентов, которые также ожидаются на поверхности некоторых скалистых планет и лун. Ионные жидкости представляют собой соли, которые существуют в жидкой форме ниже около 100 градусов по Цельсию.
Эксперименты команды показали, что смесь серной кислоты и некоторые азотные органические соединения производили такую жидкость. На скалистых планетах серная кислота может быть побочным продуктом вулканической активности, в то время как азотные соединения были обнаружены на нескольких астероидах и планетах в нашей солнечной системе, предполагая, что соединения могут присутствовать в других планетарных системах.
Ионные жидкости имеют чрезвычайно низкое давление паров и не испаряются; Они могут образовываться и сохраняться при более высоких температурах и более низких давлениях, чем то, что может переносить жидкую воду. Исследователи отмечают, что ионная жидкость может быть гостеприимной средой для некоторых биомолекул, таких как некоторые белки, которые могут оставаться стабильными в жидкости.
Ученые предполагают, что даже на планетах, которые слишком теплые или которые имеют атмосферы, которые слишком низкие, чтобы поддержать жидкую воду, все еще могут быть карманы ионной жидкости. А там, где есть жидкость, может быть потенциал для жизни, хотя, вероятно, не что-то, что напоминает существа на земной на водной основе.
«Мы считаем, что вода требуется для жизни, потому что это то, что необходимо для земной жизни. Но если мы посмотрим на более общее определение, мы увидим, что нам нужно жидкость, в которой может происходить метаболизм для жизни», — говорит Рахана Агравал, которая руководила исследованием в качестве постдока в отделе Земли Массачусетского технологического института, атмосферы и планетарные науки. «Теперь, если мы включим ионную жидкость в качестве возможности, это может значительно увеличить зону обитаемости для всех скалистых миров».
Соавторами MIT в исследовании являются Сара Сигер, класс профессора планетарных наук в 1941 году на факультете земли, атмосферных и планетарных наук и профессор физики и аэронавтики и космонавтики, наряду с Иаронлав Иакубивский, Уэстон Бучан, Ана Глидден и Джингчэн. Соавторы также включают Максвелла Сигера из Вустерского политехнического института, Уильям Бейнс из Университета Кардиффа и Януш Петковски из Университета науки и технологий Вроцлав в Польше.
Жидкий прыжок
Работа команды с ионной жидкостью выросла из -за усилий по поиску признаков жизни на Венере, где облака серной кислоты охватили планету в ядовитой дымке. Несмотря на свою токсичность, облака Венеры могут содержать признаки жизни — представление о том, что ученые планируют проверить с предстоящими миссиями в атмосфере планеты.
Агравал и Сигер, которые ведут миссии «Утренняя звезда» на Венеру, исследовали способы сбора и испарения серной кислоты. Если миссия собирает образцы из облаков Венеры, серная кислота должна быть испарилась бы, чтобы выявить любые остаточные органические соединения, которые затем можно было проанализировать на наличие признаков жизни.
Исследователи использовали свою индивидуальную систему низкого давления, предназначенную для испарения избыточной серной кислоты, чтобы проверить испарение раствора кислоты и органического соединения, глицина. Они обнаружили, что в каждом случае, в то время как большая часть жидкой серной кислоты испарилась, всегда остался упрямый слой жидкости.
Вскоре они поняли, что серная кислота химически реагирует с глицином, что приводит к обмену атомами водорода от кислоты на органическое соединение. Результатом стала жидкая смесь солей или ионов, известная как ионная жидкость, которая сохраняется как жидкость в широком диапазоне температур и давлений.
Это случайное обнаружение начало идею: может ли ионная жидкая форма на планетах, которые слишком теплые и слишком тонкие атмосферы хозяина для существования воды?
«Оттуда мы сделали прыжок воображения того, что это может означать», — говорит Агравал. «Серная кислота обнаруживается на Земле из вулканов, а органические соединения были обнаружены на астероидах и других планетарных телах. Итак, это заставило нас задуматься о том, могут ли ионные жидкости потенциально формироваться и существовать естественным образом на экзопланетах».
Ионная жидкость образуется только там, где глицин присутствует после воздействия серной кислоты и нагрева низкого давления. Слева: глицин добавлен; Правильно: нет. (а) Нанесен глициновый порошок. (б) Добавлена горячая серная кислота. (c) Через 24 часа жидкость остается только на стороне глицина — кислот полностью испаряется справа. Кредит: Рахана Агравал
Откройте для себя последние в науке, технологии и пространстве с более чем 100 000 подписчиков, которые полагаются на Phys.org для Daily Insights. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получите обновления о прорывах, инновациях и исследованиях, которые имеют значение — ежедневно или еженедельно.
Скалистые оазисы
На земле ионные жидкости в основном синтезируются в промышленных целях. Они не встречаются естественным образом, за исключением одного конкретного случая, в котором жидкость генерируется из смешивания ядов, полученных двумя конкурирующими видами муравьев.
Команда намеревалась исследовать в том, какие условия может быть получена ионная жидкость, и в каком диапазоне температур и давления. В лаборатории они смешали серную кислоту с различными азотированными органическими соединениями. В предыдущей работе команда Сигера обнаружила, что соединения, некоторые из которых можно считать ингредиенты, связанные с жизнью, удивительно стабильны в серной кислоте.
«В старшей школе вы узнаете, что кислота хочет пожертвовать протон», — говорит Сигер. «И, как ни странно, мы знали из нашей прошлой работы с серной кислотой (основным компонентом облаков Венеры) и азотированными соединениями, что азот хочет получить водород. Это похоже на мусор одного человека-сокровище другого человека».
Реакция может привести к тому, что немного ионной жидкости, если серная кислота и азотсодержащая организм находились в соотношении один к одному-соотношение, которое не было направлением предыдущей работы. Для их нового исследования Seager и Agrawal смешанная серная кислота с более чем 30 различными азотированными органическими соединениями в ряде температур и давлений наблюдали, образуется ли ионная жидкость, когда они испаряли серную кислоту в различных флаконах. Они также смешали ингредиенты с базальтовыми породами, которые, как известно, существуют на поверхности многих скалистых планет.
«Мы были просто удивлены тем, что ионная жидкость формируется при стольких различных условиях», — говорит Сигер. «Если вы положите серную кислоту и органическую на скале, избыточная серная кислота просачивается в поры породы, но у вас все еще остается капля ионной жидкости на скале. Что бы мы ни пробовали, ионная жидкость все еще образовалась».
Команда обнаружила, что реакции производили ионную жидкость при температуре до 180 градусов по Цельсию и при чрезвычайно низком давлении — намного ниже, чем в атмосфере Земли. Их результаты показывают, что ионные жидкости могут естественным образом формироваться на других планетах, где жидкая вода не может существовать, в правильных условиях.
«Мы предполагаем, что планета теплее, чем земля, у которой нет воды, и в какой -то момент в прошлом или в настоящее время у нее должна быть серная кислота, образованная в результате вулканических отстранений», — говорит Сигер. «Эта серная кислота должна течь через небольшой карман органических веществ. И органические отложения чрезвычайно распространены в солнечной системе».
Затем, по ее словам, полученные карманы жидкости могут оставаться на поверхности планеты, потенциально в течение многих лет или тысячелетия, где они могли теоретически служить небольшими оазисами для простых форм жизни на основе ионной жидкости. В будущем команда Сигера планирует дальнейшее исследование, чтобы увидеть, какие биомолекулы и ингредиенты на всю жизнь могут выжить и процветать в ионной жидкости.
«Мы только что открыли коробку с новыми исследованиями Пандоры», — говорит Сигер. «Это было настоящее путешествие».
Информация от: Массачусетским технологическим институтом
