федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева»

Свежие новости

События

Исследования ученых помогут понять как во Вселенной зародилась жизнь

Исследования ученых помогут понять как во Вселенной зародилась жизнь

Самарский университет

Результаты работы представлены в журнале Nature Astronomy

Мебель Александр международное сотрудничество Наука Исследования Публикация НИЛ физики и химии горения студенту сотруднику партнеру абитуриентам
10.10.2018 2018-10-11
Ученые Самарского университета и университетов США предложили и экспериментально подтвердили новые фундаментальные химические механизмы синтеза полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Результаты этой работы представлены в статье, опубликованной 8 октября в научном журнале Nature Astronomy. Описанные процессы позволяют понять как формируются сложные молекулы, имеющие отношение к зарождению жизни во Вселенной. 
До сих пор в научном сообществе превалировало мнение о том, что в основе образования ПАУ лежат термические процессы, связанные исключительно со сжиганием и высокотемпературной переработкой органического сырья — нефтепродуктов, угля, древесины, мусора, пищи, табака. Однако ученые Самарского университета совместно с учеными Гавайского и национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли доказали, что химический синтез может происходить и при очень низких температурах, а именно при −183С.
Их внимание к этой теме привлекли, в том числе, результаты миссии NASA и Европейского Космического Агенства "Кассини-Гюйгенс" на самый большой спутник Сатурна — Титан. Во время космической миссии автоматической межпланетной станции в атмосфере Титана обнаружена молекула бензола. Это, в свою очередь, привело ученых к мысли, что за появление и рост оранжевого-коричневатых туманных слоев, которыми окружен этот спутник, отвечают как раз ПАУ. Тем не менее фундаментальные химические механизмы, ведущие к химическому синтезу ПАУ в атмосфере Титана при очень низких температурах, оставались не раскрытыми.
Ученые Самарского университета, исследующие механизмы образования ПАУ в рамках мегагранта "Разработка физически обоснованных моделей горения" под руководством профессора Международного университета Флориды (Майами, США), главного научного сотрудника Самарского университета Александра Мебеля, провели поиск механизмов образования ПАУ с использованием современных высокоточныхквантово-химических расчетных методов. На основе этих данных их коллеги из Гавайского университета и Национальной лаборатории им Лоуренса в Беркли провели лабораторные эксперименты, подтвердившие, что прототипы молекул ПАУ (антрацен и фенантрен) синтезируются в безбарьерных реакциях, которые проходят при низких температурах, характерных для атмосферы Титана. Антрацен и фенантрен, в свою очередь, являются исходными "кирпичиками" для бóльших молекул ПАУ, а также предшественниками более сложных химических соединений, которые были обнаружены в оранжево-коричневатых органических туманных слоях, окружающих спутник Сатурна.
"Экспериментальное обнаружение и теоретическое описание этих элементарных химических реакций меняет устоявшееся представление о том, что ПАУ могут формироваться и расти только при очень высоких температурах, например, в пламенах органических топлив в земных условиях, — делает вывод Александр Мебель. — А это значит, что наше открытие приводит к изменению существующих научных представлений о том, как ПАУ могут формироваться и расти".
"Традиционно модели синтеза ПАУ в богатых углеводородами атмосферах планет и их спутниках, таких как Титан, предполагали наличие высоких температур, — подчеркивает профессор Гавайского университета Ральф Кайзер. — Мы же нашли убедительные доказательства возможности низкотемпературных реакционных путей".
Понимание механизма роста ПАУ при низких температурах позволят ученым понять как во Вселенной могут формироваться сложные органические молекулы, имеющие отношение к происхождению жизни. "Молекулы аналогичные маленьким ПАУ, но содержащие атомы азота, являются ключевыми составляющими рибонукелиновых кислот (РНК, ДНК) и некоторых аминокислот, то есть составляющих белков, — отмечает Александр Мебель. — Поэтому механизм роста ПАУ может быть связан с химической эволюцией во Вселенной, ведущей к происхождению жизни".
Более того, изучение атмосферы Титана помогает разобраться в сложных химических процессах, происходящих не только на Земле, но и на других спутниках и планетах. "Используя новые данные, ученые могут лучше понять как зарождалась жизнь на Земле в то время, когда в ее атмосфере был более распространен азот, как сейчас на Титане", — отметил ученый Национальной лаборатории им Лоуренса в Беркли Мусахид Ахмед.
Что касается прикладного значения представленной работы, то понимание механизма роста ПАУ в пламенах позволит ученым Самарского университета предложить инженерам механизмы по снижению выброса этих канцерогенных веществ в выхлопах двигателей различного типа. А это и есть одна из основных целей мегагранта, реализуемого университетом.

Полициклические ароматические углеводороды — это органические соединения, в химической структуре которые два и более конденсированных бензольных кольца. В природе ПАУ образуются в процессе пиролиза целлюлозы и встречаются в пластах каменного, бурого угля и антрацита, а также как продукт неполного сгорания при лесных пожарах. Многие ПАУ являются сильными канцерогенами. Основными источниками эмиссии техногенных ПАУ в окружающую среду являются предприятия энергетического комплекса, автомобильный транспорт, химическая и нефтеперерабатывающая промышленность.
Мегагрант "Разработка физически обоснованных моделей горения" реализуется Самарским университетом с 2016 г. в рамках поддержки научных исследований правительством РФ. Для реализации мегагранта в вузе создана международная научная лаборатория "Физика и химия горения" под руководством профессора Международного университета Флориды Александра Мебеля. Проект направлен на решение злободневной проблемы — предотвращение загрязнения окружающей среды. Результаты исследований, проводимых учеными Самарского университета в тесной кооперации как с международными, так и с российскими научными центрами будут способствовать созданию более экологичных и эффективных камер сгорания газотурбинных двигателей.