土衛(wèi)六湖中的奇異晶體可能打破化學(xué)的基本規(guī)則

關(guān)于土星的月亮巨人挑戰(zhàn)了科學(xué)家認(rèn)為的化學(xué)基本規(guī)則。

在那里，在極寒新的研究表明，一些據(jù)稱根本不相容的分子可能會(huì)結(jié)合形成太陽系中從未見過的固體。

據(jù)瑞典查爾姆斯理工大學(xué)化學(xué)家費(fèi)爾南多·伊茲奎爾多-魯伊斯領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)稱，這種外星物質(zhì)很可能在土衛(wèi)六上大量存在。

“這些都是非常令人興奮的發(fā)現(xiàn)，可以幫助我們了解非常大規(guī)模的東西，一個(gè)和地球一樣大的衛(wèi)星[土衛(wèi)六]汞,"化學(xué)家馬丁·拉姆說查爾姆斯理工大學(xué)。

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土衛(wèi)六是一個(gè)迷人的小角落太陽系的。它的湖泊甲烷和碳?xì)浠衔锖袕?fù)雜的化學(xué)成分，非常接近激發(fā)生命所需的益生元化學(xué)成分。那并不意味著那里的生活是可能的，但它確實(shí)提供了一個(gè)機(jī)會(huì)來了解生命可能出現(xiàn)的條件。

益生元化學(xué)的一個(gè)特殊基石是氰化氫，在適當(dāng)?shù)臈l件下，它們會(huì)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(wèi)六上。

它也是一種強(qiáng)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(wèi)六上的甲烷和乙烷——往往會(huì)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(jī)制。

研究人員對氰化氫在土衛(wèi)六上可能行為的調(diào)查始于美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，他們試圖弄清楚該分子在土衛(wèi)六大氣中形成后會(huì)發(fā)生什么。

他們在大約 -180 攝氏度（-292 華氏度）的溫度下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，與土衛(wèi)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(tài)的。

實(shí)驗(yàn)運(yùn)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(fā)生了什么變化，因此他們招募了查爾默斯的化學(xué)家。

“這導(dǎo)致了查爾默斯和美國宇航局之間令人興奮的理論和實(shí)驗(yàn)合作，”拉姆 說.“我們問自己的問題有點(diǎn)瘋狂：這些測量結(jié)果可以用甲烷或乙烷與氰化氫混合的晶體結(jié)構(gòu)來解釋嗎？這與化學(xué)中的一條規(guī)則相矛盾，'同類溶解'，這基本上意味著不應(yīng)該將這些極性和非極性物質(zhì)結(jié)合起來。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置類似：一個(gè)溫度調(diào)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(huán)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(dòng)。

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(zhì)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(qiáng)、彎曲和拉伸。

接下來，該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)建模來證實(shí)他們的懷疑：甲烷和乙烷在氰化氫晶格的間隙之間滑落，結(jié)合形成稱為共晶的結(jié)構(gòu)，在類土衛(wèi)六溫度下保持穩(wěn)定。

研究人員得出結(jié)論，在類似土衛(wèi)六的條件下，分子不會(huì)像在較高溫度下那樣進(jìn)行熱抖動(dòng)，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(jié)合。

“這些物質(zhì)之間意外相互作用的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)影響我們?nèi)绾卫斫馔列l(wèi)六的地質(zhì)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(rèn)這種奇異化學(xué)成分的重要性，預(yù)期的蜻蜓探測器預(yù)計(jì)要到 2034 年才能在土星的奇數(shù)衛(wèi)星上登陸。

“在那之前，這些結(jié)構(gòu)代表著一個(gè)謙卑的提醒，即基礎(chǔ)化學(xué)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(fā)現(xiàn)如果條件恰到好處，還有哪些其他非極性物質(zhì)可以很好地與氰化氫發(fā)揮作用。

該研究已發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊.

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