Massiva kompressiva skjuvkrafter som genereras av tidvattendraget från Jupiterliknande planeter på deras steniga istäckta månar kan bilda en naturlig reaktor som driver enkla aminosyror att polymerisera till större föreningar. Dessa extrema mekaniska krafter förstärker kraftigt molekylernas kondensationsreaktioner, öppnar en ny arena för möjligheter för det kemiska ursprunget för liv på jorden och andra steniga planeter.

Det är slutsatsen av en ny studie av forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) som undersökte hypotesen att kompressiv klippning kan ha drivit prebiotisk kemi. Forskningen visas i tidskriften Kemivetenskap och visas på omslaget till det 30:e numret och som en del av 2020 Chemical Science HOT artikelsamling .

Mekaniskt driven kemi, eller mekanokemi, är ett relativt nytt område. "Kompressiva skjuvkrafter är kända för att accelerera fysiska och kemiska omvandlingar i fasta material, " sa LLNL-kemist Brad Steele, huvudförfattare till studien, "men lite är känt om hur dessa processer uppstår speciellt för enkla prebiotiska molekyler som aminosyror, som kan ha en benägenhet att länka samman."

Som ett testfall, teamet fokuserade på glycin, den enklaste proteinbildande aminosyran och en känd beståndsdel av astrofysiska isiga kroppar. "Vi valde att studera glycin eftersom det är en användbar reduktionistisk modell för att förstå grunderna för mekanokemisk polypeptidsyntes, " sa LLNL-forskaren Nir Goldman, en av författarna till studien.

Att undersöka kemi under sådana ovanliga förhållanden, teamet utvecklade en ny datormodelleringsmetod baserad på laboratorieexperiment. Diamantstädceller (DAC) är ett etablerat experimentellt verktyg för att komma åt extremt höga tryck genom att komprimera ett prov mellan två diamanter. Roterande DAC (eller RDAC) lägger till en skjuvningskomponent genom att rotera en av diamanterna. "Vi utvecklade en virtuell RDAC för att möjliggöra snabba beräkningskemiska simuleringar av mekanokemi, " sa LLNL-kemist Matt Kroonblawd, som utformade och samordnade studien.

Genom många datorsimuleringar av glycin i en virtuell RDAC, en tydlig bild började dyka upp. över ett visst tryck, varje skjuvningssimulering förutspådde bildandet av stora polymera molekyler. Bland dessa var den enklaste polypeptiden:glycylglycin. En mängd andra komplexa molekyler hittades också, inklusive cykliska och sådana med kirala centra. "Vår studie avslöjade en förvånansvärt komplex kemi som kommer från en så enkel molekyl, " sa LLNL-forskaren Will Kuo, en av författarna.

Arbetet pekar på kompressiva skjuvkrafter som en potentiell drivkraft för nya och ovanliga kemi i organiska material. Kompressiva skjuvningsförhållanden uppnås i många situationer, som vid stötar, detonationer och i material under stora påfrestningar. Den virtuella RDAC -metoden gör det möjligt att snabbt förutsäga mekanokemi för andra material under sådana förhållanden.