L'alba de la química orgànica: el naixement de la complexitat molecular

En les zones més fredes de l'espai (al voltant de 10 K, uns -263 graus centígrads), la pols interestel·lar actua com un reactor químic gegant. Aquests grans de pols estan compostos per un nucli refractari (o sigui, de materials que no s'evaporen), majoritàriament de silicats o materials carbonacis, recoberts de mantells de gel d'espècies volàtils (o sigui, 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). És precisament sobre aquestes superfícies gelades on la complexitat química comença a florir.

Com es poden formar molècules tan complexes en les condicions extremes del medi interestel·lar? Els científics debaten entre dos tipus de reaccions principals: (i) reaccions que succeeixen en fase gas, i (ii) reaccions que succeeixen en les superfície dels grans de pols. En el primer, les espècies s'evaporen dels mantells de gel i reaccionen en el gas més calent prop de les estrelles. Tot i això, moltes COMs 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 ultravioleta (UV) o els raigs còsmics (partícules altament energètiques) trenquen molècules simples (com l'aigua o el metanol) atrapades en el gel, generant fragments molt reactius anomenats radicals. Quan el gra de pols s'escalfa lleugerament (al voltant d'uns 30 K), aquests radicals poden moure's per les superfícies dels grans (fenomen de difusió), es troben i s'uneixen per formar una COM. Per exemple, la radiació UV fragmenta diverses molècules de metanol generant els radicals de CH₃ i HCO. Aquests poden moure's en les superfícies dels grans de pols fins que es troben formant acetaldehid (CH₃CHO) d'acord amb la reacció d'acoblament radical-radical CH₃ + HCO → CH₃CHO. No obstant això, simulacions atomístiques basades en la mecànica quàntica han revelat limitacions severes en aquests tipus de reaccions. En primer lloc, en  alguns casos, els radicals enlloc d'acoblar-se amb un altre prefereixen prendre un àtom d'hidrogen de la seva parella (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, enlloc de formar acetaldehid, s'acaba obtenint metà i monòxid de carboni, o sigui CH₃ + HCO → CH₄ + CO. A més, a les temperatures baixes de 10 K, els radicals estan "congelats" i no es poden moure prou per trobar-se, fent aquest mecanisme ineficaç en aquests entorns astrofísics.

Davant d'aquestes limitacions, han sorgit alternatives interessants que no requereixen la difusió dels radicals. Un és el mecanisme "Radical-Gel". Aquí, els gels d'aigua no són només un suport inert, sinó reactius actius. Radicals tals com el CN o el CCH poden reacciona 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, 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, permetent la síntesi de COMs fins i tot a 10 K. Pel cas de la formació de l'acetaldehid seria: 1) la primera reacció l'addició d'hidrogen al CO formant el radical HCO, H + CO → HCO; 2) la segona reacció, l'acoblament del 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.

L’astroquímica , com a disciplina astronòmica, es basa sense en observacions realitzades mitjançant telescopis, tals com els proporcionats per l’ALMA o el JWST. Aquestes permeten detectar i identificar els tipus de molècules presents en l’espai, tal com les COMs. No obstant, 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: entendre aquests processos seria, avui per avui, impossible sense ella. Les simulacions atomístiques permeten als investigadors "veure" el ball de les molècules a escala atòmica/molecular. 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