L'alba de la química orgànica

En les zones més fredes de l'espai (al voltant de 10 K, el que equival a uns -263 ºC), la pols interestel·lar actua com un reactor químic gegant. Aquests grans de pols estan compostos per un nucli refractari format de materials que no s'evaporen (majoritàriament de silicats o materials carbonacis) recobert d’un mantell de gel d'espècies volàtils, és a dir,  d'espècies que s'evaporen fàcilment. Aquests mantells són predominantment d'aigua (H₂O), però també contenen quantitats menors d'altres espècies com el monòxid de carboni (CO), diòxid de carboni (CO₂), amoníac (NH₃), metà (CH₄) o metanol (CH₃OH). I és precisament sobre aquestes superfícies gelades on la complexitat química comença a florir.

Però com es poden formar molècules complexes en les condicions extremes del medi interestel·lar? Els científics es debaten per donar resposta a la pregunta entre dos tipus de reaccions principals: (i) les reaccions que succeeixen en fase gas, i (ii) les reaccions que succeeixen en les superfícies dels grans de pols. En el primer cas, les espècies s'evaporen dels mantells de gel i reaccionen en el gas més calent prop de les estrelles. Però això no explica moltes COM o molècules orgàniques complexes que s'han detectat en zones extremadament fredes, on l'únic escenari possible és la química sobre els grans de pols recoberts de gel.

El mecanisme tradicionalment acceptat en les superfícies de gel és l'acoblament radical-radical. Segons aquest model, la radiació ultraviolada (UV) o els raigs còsmics (partícules altament energètiques) trenquen les molècules simples (com l'aigua o el metanol) atrapades en el gel, i generen fragments molt reactius anomenats radicals. Quan el gra de pols s'escalfa lleugerament (al voltant d'uns 30 K, és a dir uns -243 ºC), els radicals poden moure's per les superfícies dels grans —fenomen que s’anomena de difusió—, de manera que es troben i s'uneixen per formar una COM. Per exemple, la radiació UV fragmenta diverses molècules de metanol, i en conseqüència es generen uns radicals de CH₃ i HCO, els quals es poden moure per les superfícies dels grans de pols fins que es troben i formen acetaldehid (CH₃CHO) d'acord amb la reacció d'acoblament radical-radical CH₃ + HCO → CH₃CHO.

No obstant això, les noves simulacions atomístiques basades en la mecànica quàntica han revelat limitacions severes en aquests tipus de reaccions. En primer lloc, en  alguns casos, els radicals en lloc d'acoblar-se amb un altre prefereixen prendre un àtom d'hidrogen de la seva parella, l’anomenada reacció d'abstracció d'H, produint molècules simples en lloc de complexes. Per exemple, prenent el cas de la parella de radicals CH₃ i HCO, en lloc de formar acetaldehid, s'acaba obtenint metà i monòxid de carboni, o sigui CH₃ + HCO → CH₄ + CO. A més, cal tenir en compte que a temperatures baixes de 10 K, els radicals estan “congelats” i no es poden moure prou per trobar-se, cosa que faria  que aquest mecanisme fos també ineficaç en aquests entorns astrofísics.

Davant d'aquestes limitacions, han sorgit noves alternatives interessants, que no requereixen la difusió dels radicals per explicar com es formen les molècules complexes al medi interestel·lar. Una d’aquestes és el mecanisme “radical-gel”. Aquí, els gels d'aigua no són només un suport inert, sinó reactius actius, i per això, radicals tals com el CN o el CCH poden reaccionar directament amb una molècula d'aigua del gel. Aquest camí ha demostrat ser viable per formar formamida (NH₂CHO), la COM més simple, que conté els quatre elements essencials per a la vida (H, C, N, i O), i etanol (CH₃CH₂OH, l'alcohol de les begudes o esperit de vi!).

Un altre mecanisme que s'ha proposat és el de la reacció a tres cossos. En aquest escenari, una reacció altament exotèrmica (o sigui, que allibera molta energia) genera un radical que reté part de l'energia de reacció. Aquesta energia permet que el radical reaccioni immediatament amb un veí abans que la calor es dissipi en el gel, fet que permet la síntesi de COM, fins i tot a 10 K. Pel cas de la formació de l'acetaldehid el camí seria:

1) la primera reacció, l'addició d'hidrogen al CO formant el radical HCO, H + CO → HCO;

2) la segona reacció, l'acoblament de l'HCO generat amb un radical CH₃ present en els gels, CH₃ + HCO → CH₃CHO, on l'HCO pot moure's gràcies a retenir part de l'energia de reacció un cop s'ha format.

En conclusió, l’astroquímica, com a disciplina astronòmica, es basa en observacions realitzades mitjançant telescopis, tals com les proporcionades per l’ALMA o el JWST. Aquestes permeten detectar i identificar els tipus de molècules presents en l’espai, tal com les COM. No obstant això, aquestes observacions no poden donar explicació de com es formen aquestes molècules, ni del paper que tenen els grans de pols en aquestes reaccions de síntesi. I aquí és on entra en joc la química computacional, perquè entendre aquests processos seria, ara per ara, impossible sense recórrer-hi. Les simulacions atomístiques permeten als investigadors “veure” el ball de les molècules a escala atòmica/molecular, i mitjançant aquests càlculs, es poden traçar mecanismes de reacció, veure com evolucionen amb el temps, i determinar quins camins són realment possibles. Aquestes eines computacionals actuen com un microscopi virtual, revelant si una molècula complexa pot néixer en el fred silenci de l'espai, i ens confirmen que en les regions més fredes de l’espai, els grans de pols recoberts de gel actuen com veritables laboratoris químics on es formen molècules orgàniques complexes en condicions extremes.