瑞典查爾姆斯理工大學和美國宇航局的科學家們做出了一項令人驚訝的發現，挑戰了化學的基本原理之一，為土星神秘的衛星泰坦提供了新的見解。在土衛六嚴寒的環境中，它們能夠結合通常無法混合的物質。這一發現拓展了我們對地球上生命出現之前化學可能如何發揮作用的理解。
土星最大的衛星長期以來一直令研究人員著迷，因為它的演化可以揭示曾經塑造我們星球的早期化學過程。土衛六冰冷的表面和富含氮氣和甲烷的稠密大氣被認為與數十億年前年輕地球的狀況相似。通過探索泰坦，科學家希望找到有關生命本身起源的新線索。
查爾姆斯理工大學化學與工程化學系副教授馬丁·拉姆（Martin Rahm）花了數年時間研究泰坦的化學成分。他和他的同事相信，他們的最新發現——某些極性和非極性物質*可以在極冷條件下結合——可以指導未來對月球表面和大氣的研究。
他說：“這些都是非常令人興奮的發現，將幫助我們了解更大範圍內的事物，比如水星大小的衛星。”
極端環境下生命組成部分的新視角
研究發表於 美國國家科學院院刊揭示了甲烷、乙烷和氰化氫——土衛六表面和大氣中豐富的化合物——可以以以前不可能的方式相互作用。值得注意的是，氰化氫是一種極性很強的分子，可以與甲烷和乙烷等非極性物質一起形成晶體，因為這些類型的分子通常像油和水一樣單獨存在。
“發現這些物質之間意想不到的相互作用可能會影響我們如何理解泰坦的地質及其湖泊、海洋和沙丘的奇怪景觀。此外，氰化氫可能在生命的各種非生物元素的形成中發揮重要作用，例如用於構建蛋白質的氨基酸，以及用於構建我們遺傳密碼所需的蛋白質的氨基酸。深入了解生命開始之前的化學，以及 該研究的領導者馬丁·拉姆 (Martin Rahm) 表示：“它在極端惡劣的環境中會如何表現。 ”
一個懸而未決的問題促成了 NASA 的合作
查爾默斯的研究始於土衛六上一個簡單但尚未解決的問題：氰化氫在月球大氣層中形成後會發生什麼？它會積聚在厚厚的皮膚層中，還是會以某種方式與環境發生反應？為了進行調查，美國宇航局加利福尼亞州噴氣推進實驗室 (JPL) 的科學家們在 90 開爾文（約 -180 攝氏度）的極低溫度下進行了將氰化氫與甲烷和乙烷混合的實驗。在這些溫度下，氰化氫會變成晶體，而甲烷和乙烷仍保持液態。
當研究小組使用激光光譜分析混合物時，即使分子完好無損，他們也注意到發生了一些不尋常的事情。激光光譜在原子水平上檢查材料和分子。為了了解這一點，他們聯繫了查爾姆斯理工大學的拉姆團隊，該團隊以其在氰化氫化學方面的深厚專業知識而聞名。
“這導致了查爾默斯和 NASA 之間令人興奮的理論和實驗合作。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？這違背了化學規則，即“溶解”，這本質上意味著這些極性物質無法結合，馬丁也無法結合。拉姆。
拓展化學的邊界
查爾姆斯理工大學的研究人員使用大規模計算機模擬來測試數千種不同的固態分子排列方式，以尋找答案。在分析中，他們發現碳氫化合物進入氰化氫晶格並形成穩定的新結構，稱為共晶體。
“這可能在非常低的溫度下發生，就像在泰坦上一樣。我們的計算不僅預測出意想不到的混合物在泰坦條件下是穩定的，而且光譜與美國宇航局的測量結果非常匹配，”他說。
這一發現對化學最著名的規則之一提出了質疑，但馬丁·拉姆認為現在還不是重寫化學教科書的時候。
“我看到了一個很好的例子，說明化學領域的邊界不斷變化，而普遍接受的規則並不總是適用，”他說。
2034 年，美國宇航局的蜻蜓號探測器預計將抵達土衛六，調查其表面之下的情況。在此之前，馬丁·拉姆和他的同事計劃繼續研究氰化氫的化學性質，部分與美國宇航局合作。
“在宇宙的許多地方都發現了氰化氫，例如在大型塵埃雲、行星大氣層和彗星中。我們的研究結果可以幫助我們了解太空中其他寒冷環境中發生的情況。我們還可以找出其他非極性分子是否也可以進入氰化氫晶體，如果可以的話，會產生什麼化學反應。生命”，他說。
有關研究的更多信息
科學文章《泰坦上的氰化氫和碳氫化合物的混合物》已發表在《美國國家科學院院刊》雜誌上。編劇：費爾南多·伊斯奎爾多·魯伊斯、摩根·L·凱布爾、羅伯特·霍迪斯、圖安·H·武、希爾達·桑德斯特倫、阿爾瓦羅·洛巴托·費爾南德斯和馬丁·拉姆。研究人員來自瑞典查爾姆斯理工大學、美國加州理工學院（Caltech）美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）和馬德里康普頓斯大學（西班牙）。
查爾默斯的研究由瑞典研究委員會資助。
有關泰坦和蜻蜓的更多信息 土星最大的衛星泰坦是太陽系中最不尋常的世界之一，可能與早期地球具有共同的特徵。土衛六周圍有一層厚厚的大氣層，主要由氮氣和甲烷組成，這種成分可能類似於數十億年前生命出現之前的地球大氣層。來自太空的陽光和其他輻射導致這些分子相互反應，這就是為什麼月球被有機（即富含碳）化合物的複雜化學霧包圍的原因。以這種方式產生的主要物質之一是氰化氫。
土衛六非常寒冷的表面含有液態甲烷和乙烷的湖泊和河流。這是太陽系中除地球之外唯一已知的液體在表面形成湖泊的地方。泰坦有天氣和季節。有風、有云、有雨，儘管是以甲烷而不是水的形式。測量結果還表明，在寒冷的地表以下幾公里處可能存在一大片液態水海洋，原則上可以維持生命。
2028年，美國宇航局NASA計劃發射蜻蜓號太空探測器，將於2034年到達土衛六。目標是研究生命誕生前的化學物質，並尋找生命跡象。
筆記
* 關於極性和非極性物質： 極性物質由具有不對稱電荷分佈（正側和負側）的分子組成，非極性材料具有對稱電荷分佈。極性和非極性分子很少混合，因為極性分子優先通過靜電相互作用相互吸引。
