UABDivulga - Barcelona recerca i innovació

L’aigua és essencial per a la vida tal com la coneixem, i la seva sorprenent abundància en les profunditats gelades de l’espai ha intrigat la comunitat científica durant dècades. Tot i que els núvols interestel·lars són extremadament freds i poc densos, estan plens de diminuts grans de pols sòlida: partícules que actuen com autèntics laboratoris de química còsmica. Un nou estudi desenvolupat en el nostre grup de recerca QUANTUMGRAIN, basat en simulacions atomístiques avançades, revela com aquests grans, especialment els que contenen ferro, podrien ser «fàbriques» clau per produir aigua a l’univers.

La major part de l’aigua espacial es troba en forma de gel, adherida a la superfície dels grans de silicat, com la gebrada sobre un vidre. Però, com es forma? En les dures condicions de l’espai, on la temperatura pot baixar fins a 10 Kelvin (-263 °C) i les densitats són molt baixes, reaccions simples a la Terra esdevenen grans reptes. Les reaccions en fase gasosa no són suficients per explicar tota l’aigua observada. Per això, es creu que la química de superfícies dels grans és fonamental.

El mecanisme més acceptat per formar aigua interestel·lar és l’addició de dos àtoms d’hidrogen (H, l’element més abundant en l’Univers) a un àtom d’oxigen (O). Tanmateix, aquest procés per si sol no explica la seva abundància, fet que indica que han d’existir altres vies. Aquesta nostra recerca explora un mecanisme poc estudiat: un àtom d’oxigen (O) reaccionant directament amb una molècula d’hidrogen (H₂, la molècula més abundant en fase gas) sobre la superfície d’un gra. El nostre estudi se centra en l’olivina, una família comuna de silicats que sovint conté ferro. Mitjançant simulacions químiques quàntiques, l’equip ha modelat aquesta reacció en superfícies d’olivina amb Fe²⁺.

La presència de ferro canvia les regles del joc. Les simulacions mostren que els ions Fe²⁺ poden capturar i retenir molècules de H₂, primer pas per activar-les debilitant l’enllaç H-H.

La ruta més eficient comença quan l’oxigen s’adhereix primer al gra, alliberant energia que impulsa el següent pas: trencar la molècula de H₂. Un àtom d’hidrogen s’uneix al ferro i l’altre a l’estructura del silicat. Després, tots dos es desplacen per la superfície fins a trobar-se amb l’oxigen, formant finalment una molècula d’aigua (H₂O).

Tot i que les barreres energètiques són altes, el fred extrem de l’espai ofereix un recurs secret: l’efecte túnel quàntic. Aquest fenomen permet que partícules lleugeres, com l’hidrogen, «travessin» les barreres en lloc de superar-les. Els càlculs cinètics confirmen que, gràcies al túnel quàntic, aquest mecanisme és viable durant la vida dels núvols interestel·lars, que pot durar milions d’anys. A més, l’estudi revela que, tot i que el ferro ajuda a emmagatzemar i activar H₂, la ruptura de l’enllaç H-H pot ser més fàcil en silicats rics en magnesi. Això suggereix que els silicats amb ferro actuen més com a reservoris d’hidrogen, mentre altres llocs faciliten la reacció.

Aquests resultats no només aprofundeixen en la nostra comprensió sobre l’origen de l’aigua a l’univers, sinó que també obren la porta a futurs experiments en laboratori per posar a prova aquesta prometedora recepta còsmica.