期刊導航
土衛六湖中的奇異晶體可能打破化學的基本規則
在那里，在極寒新的研究表明，一些據稱根本不相容的分子可能會結合形成太陽系中從未見過的固體。
據瑞典查爾姆斯理工大學化學家費爾南多·伊茲奎爾多-魯伊斯領導的一個團隊稱，這種外星物質很可能在土衛六上大量存在。
“這些都是非常令人興奮的發現，可以幫助我們了解非常大規模的東西，一個和地球一樣大的衛星[土衛六]汞,"化學家馬丁·拉姆說查爾姆斯理工大學。
土衛六是一個迷人的小角落太陽系的。它的湖泊甲烷和碳氫化合物含有復雜的化學成分，非常接近激發生命所需的益生元化學成分。那并不意味著那里的生活是可能的，但它確實提供了一個機會來了解生命可能出現的條件。
益生元化學的一個特殊基石是氰化氫，在適當的條件下，它們會形成可以成為生命組成部分的化合物，例如核堿基和氨基酸。氰化氫是豐富在土衛六上。
它也是一種強極性分子，電子分布不均勻，使其帶不平衡的電荷。
通常，極性和非極性分子——例如土衛六上的甲烷和乙烷——往往會相互排斥。它需要更多的能量迫使他們走到一起而不是讓他們分開。這是防止（極性）水與（非極性）油混合的確切機制。
研究人員對氰化氫在土衛六上可能行為的調查始于美國宇航局噴氣推進實驗室的科學家，他們試圖弄清楚該分子在土衛六大氣中形成后會發生什么。
他們在大約 -180 攝氏度（-292 華氏度）的溫度下進行了實驗，與土衛六的表面溫度一致。在這種極冷的天氣里，氰化氫是晶體，而甲烷和乙烷是液態的。
實驗運行并分析了所得混合物后，美國宇航局的研究人員可以看出有些變化，但不確定發生了什么變化，因此他們招募了查爾默斯的化學家。
“這導致了查爾默斯和美國宇航局之間令人興奮的理論和實驗合作，”拉姆 說.“我們問自己的問題有點瘋狂：這些測量結果可以用甲烷或乙烷與氰化氫混合的晶體結構來解釋嗎？這與化學中的一條規則相矛盾，'同類溶解'，這基本上意味著不應該將這些極性和非極性物質結合起來。
實驗設置類似：一個溫度調低到 -180 攝氏度左右的腔室，研究人員在其中生長氰化氫晶體。在這種環境中，他們引入了甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，使用拉曼光譜記錄分子如何振動。
他們記錄了暴露于甲烷和乙烷后氰化氫振蕩的微小但明顯的變化——表明這些不相容的物質不僅彼此相鄰，而且相互作用。
這些變化的方向表明，氰化氫中的氫鍵正在被甲烷和乙烷微妙地加強、彎曲和拉伸。
接下來，該團隊轉向計算機建模來證實他們的懷疑：甲烷和乙烷在氰化氫晶格的間隙之間滑落，結合形成稱為共晶的結構，在類土衛六溫度下保持穩定。
研究人員得出結論，在類似土衛六的條件下，分子不會像在較高溫度下那樣進行熱抖動，這使得甲烷和乙烷能夠穿透氫氰化物，這表明通常相互憎恨的分子如何相互作用和結合。
“這些物質之間意外相互作用的發現可能會影響我們如何理解土衛六的地質及其湖泊、海洋和沙丘的奇異景觀，”拉姆 說.
不幸的是，我們可能需要等待幾年才能確認這種奇異化學成分的重要性，預期的蜻蜓探測器預計要到 2034 年才能在土星的奇數衛星上登陸。
“在那之前，這些結構代表著一個謙卑的提醒，即基礎化學是多么令人驚訝，”研究人員寫.
在未來的工作中，研究人員希望發現如果條件恰到好處，還有哪些其他非極性物質可以很好地與氰化氫發揮作用。
該研究已發表在美國國家科學院院刊.
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