Вооруженные самыми современными инструментами, ученые-астрономы в последнее время все чаще и чаще обнаруживают простые и сложные органические химические соединения в дисках материи, окружающей некоторые звезды. Даже в нашей Солнечной системе на метеоритах были найдены следы сложной органики, которые могли получиться только в результате не самых простых химических превращений и которые могут стать основой зарождающейся где-нибудь жизни. До последнего времени ученые не очень хорошо понимали механизмы, за счет которых возможны химические реакции, происходящие в условиях энергетического дефицита в открытом космосе, но последние исследования, выполненные учеными из университета Лидса, пролили свет на эту загадку.

Согласно материалам исследований, опубликованных в журнале Nature Chemistry, химические процессы, происходящие внутри облаков холодного космического газа, гораздо более сложны, нежели можно себе представить. Химические реакции, которые не могут происходить в нормальных условиях из-за недостаточного количества энергии, происходят в холодном газе за счет эффекта квантового туннелирования. Это происходит потому, что один из химических реагентов, ядро атома водорода в данном случае, может совершить квантовый скачок за счет эффекта туннелирования и быть захвачен атомом или молекулой другого вещества, образуя при этом прочные химические связи.

Ключевым моментом инициации некоторых химических реакций является понятие энергии активации. Многие химические реакции не могут происходить спонтанно, для их начала требуется некий внешний энергетический толчок, переводящий атомы химических элементов в энергетическое состояние, более высокое, чем так называемый энергетический порог активации реакции. Достаточно наглядным примером этому является огонь, который не загорится до тех пор, пока к горючему материалу не поднесешь зажженную спичку или другой источник открытого огня.

Все вышесказанное, как можно легко догадаться, является проблемой в условиях холодных облаков космического газа. В таких областях космоса находится крайне мало свободной энергии, которая может заставить атомы вещества перепрыгнуть через барьер активации химической реакции. Согласно расчетам, проведенных учеными, с энергетической точки зрения подавляющее большинство видов химических реакций попросту не могут происходить в открытом космосе. Эти расчеты вошли в полное противоречие с результатами наблюдений, которые показали, что уровень некоторых химических реакций в контролируемой области космоса повысился по мере понижения там температуры.

Ученые исследовали реакцию между метанолом, который в достаточных количествах встречается в газовых облаках, и радикалом гидроксила (hydroxyl radical). Последний является молекулой воды, лишенной одного атома водорода, что оставляет свободным один электрон кислорода. Когда эти две молекулы реагируют друг с другом, атом водорода отделяется от метанола, превращая радикал гидроксила в воду и оставляя радикал метоксила (methoxy radical). В нормальных условиях подобная реакция происходит с образованием промежуточного вещества, состоящего из двух атомов кислорода, связанных с одним атомом углерода, входящим в состав молекулы метанола. И в нормальных условиях эта реакция требует не такой уж и маленькой энергии активации.

Но, как только температура окружающей среды снижается ниже определенного предела, природа большинства естественных процессов в корне изменяется. При температуре ниже 70 градусов по шкале Кельвина, две молекулы, молекула метанола и радикала гидроксила не образуют промежуточное соединение, а соединяются за счет возникающей водородной связи. При низких температурах эта связь будет достаточно устойчивой, держа обе молекулы в непосредственной близости в течение длительного времени. Близость расположения молекул означает, что некоторые элементы могут переместиться из одной молекулы в другую за счет эффекта квантового туннелирования, что и происходит на самом деле. Ядро атома водорода "туннелируется" из молекулы метанола в молекулу радикала гидроксила, а в результате получается вода и радикал метоксила.

В составе молекулы метанола имеется несколько атомов водорода и во время течения обычной химической реакции в ней принимают участие только строго определенные атомы водорода. Исследователи обнаружили, что во время реакции, протекающей при сверхнизкой температуре за счет эффекта квантового туннелирования, могут быть задействованы абсолютно любые атомы водорода, что указывает на совершенно иную природу процессов химической реакции.

Факт обнаружения химических реакций в условиях, в которых они принципиально не должны происходить, имеет огромную научную ценность. Знания об иных механизмах течения химических реакций позволит ученым получить более ясное представление о том, что происходит в холодных космических глубинах. Изучив более подробно это явление, ученые смогут вычислить какие реакции могут происходить в газовых облаках с определенным составом, что позволит определить химические вещества, которые будут присутствовать в составе планет, рожденных в этих облаках.

Вполне вероятно, что новый вид "квантовой" химии в будущем найдет практическое применение. Благодаря квантовым химическим реакциям можно будет осуществить синтез соединений, которые невозможно получить традиционным путем. Помимо этого, новые типы химических реакций могут позволить удешевить синтез определенных соединений, который при обычном подходе требует крайне высоких энергетических затрат, делая конечную продукцию невероятно дорогой.