Chemicy ze Szwajcarii odkryli, że mocznik łatwo tworzy się z amoniaku i dwutlenku węgla, jeśli reakcja jest przeprowadzana w mikrokroplach wody. Wykorzystali spektroskopię Ramana, aby wykryć powstawanie 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 jest w istocie podwójnym amidem kwasu węglowego. W związku z tym można go uzyskać z gazowego amoniaku NH3 i dwutlenku węgla CO2. Problem w 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. A w normalnych warunkach amoniak i dwutlenek węgla po prostu nie reagują. Jeśli przepuścimy mieszaninę tych gazów przez wodę, powstanie karbaminian amonu, ale nie mocznik.
Ale, jak się okazało, mocznik nadal może powstawać z dwutlenku węgla i wody pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze pokojowej. Wykazał to Ruth Signorell z kolegami z Politechniki w Zurychu. Naukowcy przeprowadzili tę reakcję nie w zwykłej wodzie, ale w kroplach wody o promieniu kilku mikrometrów.
Chemicy przeprowadzili eksperyment w następujący sposób: rozpylili wodny roztwór amoniaku i złapali pojedyncze mikrokrople utworzone za pomocą pęsety optycznej. Następnie do komory wprowadzono jedną atmosferę wilgotnego dwutlenku węgla kropla po kropli i jednocześnie zarejestrowano widmo Ramana. Kilka minut po rozpoczęciu reakcji w widmie pojawił się pas odpowiadający 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.
Ponadto chemicy przeprowadzili tę samą reakcję, ale nie w pojedynczej kropli wody, ale w aerozolu. W tym samym czasie powstał również mocznik, który naukowcy wykryli za pomocą spektrometrii masowej i spektroskopii NMR na jądrach węgla. Ale w tym przypadku uzyskano znacznie mniej mocznika, ponieważ czas życia mikrokropli, a zatem czas reakcji, wynosił około trzech minut.
Następnie, na wszelki wypadek, autorzy badania powtórzyli eksperyment w zwykłej wodzie i w tym przypadku nie uzyskano mocznika, jak przypuszczali. Przypuszczalnie rolą mikrokropli jest to, że stężenia substancji wewnątrz kropli i na jej powierzchni różnią się. A każda kropla jest małym reaktorem przepływowym, w różnych rejonach którego panują różne warunki, w szczególności różna kwasowość środowiska. Według chemików, ten gradient stężeń pozwala na tworzenie się mocznika. Ale zauważają również, że mechanizmy reakcji w mikrokroplach są bardzo trudne do ustalenia i często stają się przyczyną kontrowersji w środowisku naukowym.
W ten sposób chemicy wykazali, że mocznik może powstawać z amoniaku i dwutlenku węgla w normalnych warunkach. Naukowcy zakładają, że w ten sposób mocznik może powstawać w warunkach prebiotycznych.
Wcześniej omawialiśmy, w jaki sposób amoniak przedostaje się do mikrokropelek wody z powietrza wydychanego przez eksperymentatorów.
