Promieniowanie gamma może w temperaturze pokojowej przekształcać metan w szeroką gamę produktów, w tym węglowodory, cząsteczki zawierające tlen i aminokwasy, podaje zespół badawczy w czasopiśmie Chemia stosowana. Ten typ reakcji prawdopodobnie odgrywa ważną rolę w tworzeniu złożonych cząsteczek organicznych we wszechświecie – i być może w pochodzeniu życia. Otwierają także nowe strategie przemysłowego przetwarzania metanu w produkty o wysokiej wartości dodanej w łagodnych warunkach.
Dzięki tym wynikom badań zespół kierowany przez Weixina Huanga z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii (Hefei) przyczynił się do naszej fundamentalnej wiedzy na temat wczesnego rozwoju cząsteczek we wszechświecie. „Promienie gamma, wysokoenergetyczne fotony powszechnie występujące w promieniowaniu kosmicznym i niestabilnym rozpadzie izotopów, dostarczają energii zewnętrznej do napędzania reakcji chemicznych prostych cząsteczek w lodowych płaszczach pyłu międzygwiazdowego i ziarnach lodu” – stwierdza Huang. „Może to skutkować powstaniem bardziej złożonych cząsteczek organicznych, prawdopodobnie zaczynając od metanu (CH4), który jest powszechnie obecny w ośrodku międzygwiazdowym.”
Chociaż na Ziemi i na planetach w tzw. strefie zamieszkiwalnej panują wyższe ciśnienia i temperatury, większość badań procesów kosmicznych symuluje się jedynie w próżni i w ekstremalnie niskich temperaturach. Natomiast chiński zespół badał reakcje metanu w temperaturze pokojowej w fazie gazowej i wodnej pod napromienianiem emiterem kobaltu-60.
Skład produktów różni się w zależności od materiałów wyjściowych. Czysty metan reaguje – z bardzo niską wydajnością – dając etan, propan i wodór. Dodatek tlenu zwiększa konwersję, w wyniku czego powstaje głównie CO2 a także CO, etylen i wodę. W obecności wody uwodniony metan reaguje, dając aceton i trzeciorzędowy alkohol butylowy; w fazie gazowej daje etan i propan. Po dodaniu zarówno wody, jak i tlenu, reakcje ulegają znacznemu przyspieszeniu. W fazie wodnej tworzy się formaldehyd, kwas octowy i aceton. Jeśli doda się również amoniak, kwas octowy tworzy glicynę, aminokwas występujący również w kosmosie. „Pod wpływem promieniowania gamma glicyna może powstać z metanu, tlenu, wody i amoniaku, czyli cząsteczek występujących w dużych ilościach w kosmosie” – mówi Huang. Zespół opracował schemat reakcji wyjaśniający drogi powstawania poszczególnych produktów. Tlen (∙O2−) i rodniki ∙OH odgrywają w tym ważną rolę. Szybkość tych radykalnych mechanizmów reakcji nie zależy od temperatury i dlatego może zachodzić również w przestrzeni kosmicznej.
Ponadto zespołowi udało się wykazać, że różne cząstki stałe będące składnikami pyłu międzygwiazdowego – dwutlenek krzemu, tlenek żelaza, krzemian magnezu i tlenek grafenu – zmieniają selektywność produktu na różne sposoby. Zróżnicowany skład pyłu międzygwiazdowego mógł zatem przyczynić się do obserwowanego nierównomiernego rozmieszczenia cząsteczek w przestrzeni.
Dwutlenek krzemu prowadzi do bardziej selektywnej konwersji metanu do kwasu octowego. Mówi Huang, „ponieważ promieniowanie gamma jest łatwo dostępnym, bezpiecznym i zrównoważonym źródłem energii, może to stanowić nowe podejście do wykorzystania metanu jako źródła węgla, który można skutecznie przekształcić w produkty o wartości dodanej w łagodnych warunkach – przez długi czas – stałe wyzwanie dla przemysłowej chemii syntetycznej.”
