Chemicy ze Szwajcarii odkryli, że mocznik łatwo powstaje z amoniaku i dwutlenku węgla, jeśli reakcja jest prowadzona w mikrokroplach wody. Wykorzystali spektroskopię Ramana do wykrycia powstawania mocznika w pojedynczych mikrokroplach, a następnie powtórzyli eksperyment w aerozolu. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Science”.
Cząsteczka mocznika składa się z dwóch grup aminowych przyłączonych do grupy karbonylowej i w rzeczywistości jest podwójnym amidem kwasu węglowego. W związku z tym można go uzyskać z gazowego amoniaku NH3 i dwutlenku węgla CO2. Problem polega na tym, że reakcja ta zachodzi tylko w trudnych warunkach. Na przykład, w przemyśle syntezę mocznika przeprowadza się w temperaturze około 200 stopni Celsjusza i ciśnieniu około 15 atmosfer. W normalnych warunkach amoniak i dwutlenek węgla po prostu nie reagują. Jeśli przepuścimy mieszaninę tych gazów przez wodę, powstanie karbaminian amonu, ale nie mocznik.
Okazało się jednak, że mocznik nadal może powstawać z dwutlenku węgla i wody pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze pokojowej. Wykazał to Ruth Signorell wraz z kolegami z Politechniki w Zurychu. Naukowcy przeprowadzili tę reakcję nie w zwykłej wodzie, lecz w kroplach wody o promieniu kilku mikrometrów.
Chemicy przeprowadzili eksperyment w następujący sposób: rozpylili wodny roztwór amoniaku i wychwycili utworzone mikrokrople za pomocą pęsety optycznej. Następnie do komory wprowadzono kropla po kropli jedną atmosferę wilgotnego dwutlenku węgla i jednocześnie zarejestrowano widmo Ramana. Kilka minut po rozpoczęciu reakcji w widmie pojawiło się pasmo odpowiadające drganiom wiązania azot-węgiel w moczniku. Stężenie mocznika w kropli po 30 minutach reakcji wynosiło średnio około 40 milimoli na litr. Temperatura podczas eksperymentu wynosiła 20 stopni Celsjusza.
Co więcej, chemicy przeprowadzili tę samą reakcję, ale nie w pojedynczej kropli wody, lecz w aerozolu. W tym samym czasie powstał również mocznik, który naukowcy wykryli za pomocą spektrometrii mas i spektroskopii NMR jąder węgla. Jednak w tym przypadku uzyskano znacznie mniej mocznika, ponieważ czas życia mikrokropli, a tym samym czas reakcji, wynosił około trzech minut.
Następnie, na wszelki wypadek, autorzy badania powtórzyli eksperyment w zwykłej wodzie i w tym przypadku, jak przypuszczali, nie pojawił się mocznik. Przypuszczalnie rolą mikrokropli jest to, że stężenia substancji wewnątrz kropli i na jej powierzchni różnią się. Każda kropla jest małym reaktorem przepływowym, w którym w różnych obszarach panują różne warunki, w szczególności różna kwasowość środowiska. Według chemików, ten gradient stężeń umożliwia powstawanie mocznika. Zauważają jednak również, że mechanizmy reakcji w mikrokroplach są bardzo trudne do ustalenia i często stają się przedmiotem kontrowersji w środowisku naukowym.
Chemicy wykazali zatem, że mocznik może powstawać z amoniaku i dwutlenku węgla w normalnych warunkach. Naukowcy zakładają, że właśnie w ten sposób mocznik mógłby powstawać w warunkach prebiotycznych.
Wcześniej omawialiśmy, w jaki sposób amoniak przedostaje się do mikrokropelek wody z powietrza wydychanego przez eksperymentatorów.
