研究人员在小玻璃圆柱体中重建土卫六的条件揭示两种有机分子的基本特性 _土卫六

研究人员在小玻璃圆柱体中重建土卫六的条件揭示两种有机分子的基本特性
（）据cnBeta：泰坦（Titan）/土卫六是土星最大的卫星，同时也是研究生命起源天然实验室。与地球一样，泰坦拥有密集的大气层和季节性天气循环，但化学和矿物组成却有很大不同。现在，地球上的研究人员在小玻璃圆柱体中重建了土卫六的条件，揭示了两种有机分子的基本特性，这两种有机分子被认为是泰坦上的矿物质。
在今天召开的美国化学学会 (ACS) 秋季会议上，研究人员展示了他们的研究成果。ACS 2021年秋季是一场混合会议，将于8月22日至26日以虚拟方式和面对面方式举行，点播内容将于8月30日至9月30日提供。会议将就广泛的科学主题进行7,000多场演讲。
该项目的首席研究员Tomče Runevski博士说：“地球上液态的简单有机分子在泰坦上通常是固体冰矿物晶体，因为它的温度极低，低至-290华氏度。我们发现泰坦上可能富含的两种分子——乙腈 (ACN) 和丙腈 (PCN)—— 主要以一种结晶形式存在，这种结晶形式会产生高极性的纳米表面，可以作为其他分子自组装的模板。益生元感兴趣的分子” 。
我们现在对这个冰冷世界的了解大部分归功于1997-2017年卡西尼·惠更斯号（Cassini-Huygens）对土星及其卫星的任务。从那次任务中，科学家们知道泰坦是研究生命如何产生的一个引人注目的地方。
像地球一样，泰坦有一个致密的大气层，但它主要由氮气和少量甲烷组成。它是除地球之外唯一已知的发现了稳定的地表液体池的天体。在太阳能量、土星磁场和宇宙射线的推动下，氮和甲烷在土卫六上发生反应，产生各种大小和复杂性的有机分子。
据信，ACN和PCN以气溶胶的形式存在于月球特有的黄色雾霾中，它们如雨点般落在地表，以固体矿物块的形式沉淀下来。这些分子在地球上的特性是众所周知的，但直到现在还没有研究过它们在类似泰坦的条件下的特性。
Runčevski表示：“在实验室环境中，我们在微型玻璃圆柱体中重建了泰坦上的条件。通常情况下，我们会引入水，当我们降低温度以模拟泰坦大气时，水会冻结成冰。我们在上面添加了乙烷，它变成了液体，模仿了卡西尼-惠更斯号发现的碳氢化合物湖” 。
向圆柱体中加入氮气，并引入ACN和PCN来模拟大气降雨。然后研究人员稍微升高和降低温度以模拟月球表面的温度波动。
使用同步加速器和中子衍射仪器、光谱实验和量热测量分析形成的晶体。在计算和模拟的支持下，这项工作涉及来自南卫理公会大学的Runčevski团队，以及来自阿贡国家实验室、美国国家标准与技术研究所和纽约大学的科学家。
Runčevski表示：“我们的研究揭示了很多以前未知的行星冰结构。例如，我们发现PCN的一种结晶形式不会沿其三个维度均匀膨胀。泰坦经历了温度波动，如果晶体在各个方向的热膨胀不均匀，可能会导致月球表面开裂” 。
相关报道：“试管中的土卫六”模拟实验揭示了乙腈和丙腈低温下的特殊化学性质
（）据cnBeta：虽然代号“泰坦”的土卫六很是冰冷，但它还是很像地球的一个孪生兄弟，并且蕴藏了许多奥秘。据悉，土卫六是太阳系中唯一一个以有机分子主、并且充满了湖泊与河流的奇异世界。尽管它与我们所在的家园并不完全相同，且雨水可能灼伤皮肤，但土卫六还是成为了探寻外星生命的一个热门地点。
按照计划，美国宇航局将在 2027 年的“蜻蜓”（Dragonfly）任务期间，向土卫六派去一架“大型旋翼无人机”，以期探寻到一些非同寻常的东西。
不过在发射升空后，该飞船仍需经历 7 年的时间，才会抵达距离地球近 10 亿英里的最终目的地。与此同时，许多研究人员正在努力了解那里的环境。
举个例子，南卫理公会大学的一支研究团队，就在通过一项在试管中开展的新实验，来模拟土卫六的环境状况。
在美国化学学会（ACS）秋季会议上，该校助理教授、实验首席研究员 Tomče Runčevski 在演讲中称：
土卫六存在许多与地球类似的有机分子，只是环境更加冰冷。如果我们要研究土卫六上的矿物质，就绕不开这些常见的有机分子，但要换一种视角去考量它们。
这项被称作“试管中的土卫六”（Titan-in-a-glass）的实验，就旨在做到这一点。研究人员在玻璃圆柱体中设置了泰坦的特征，例如骤降的温度和特征液体。
然后添加了存在于土卫六大气中的两种分子，分别是乙腈（acetonitrile）和丙腈（propionitrile）。结果将分子混在一起后，研究人员观察到了一些惊奇的现象：
实验期间，两种分子的结构序列发生了变化，高温与低温多晶型物（同质多形体）都变得更加稳定，且化合物的特性也略有不同。
这是非常有趣且重要的一点，毕竟到目前为止，所有针对乙腈而开展的大量研究，都假设其具有低温多晶型物。而在土卫六上，温度则要低得多。
据悉，土卫六的“冰点”低至 -290℉（-179℃）但这并不妨碍其生成“高温”多晶型物。换言之，土卫六不仅仅对其产生了温度上的化学影响。
Tomče Runčevski 补充道：在土卫六上，我们不能假设这些分子是单独存在的。此外有关乙腈和丙腈特性的新发现，或解决许多困扰我们已久的地球化学问题。
在地球条件下，这些化学物质仍是液体状态，因而无人关心其固态到底是什么样子。
得益于围绕土卫六开展的相关研究，人们终于开始直面这些基本问题，同时也让此类研究得到了振兴。
最后，研究团队希望根据 NASA 卡西尼-惠更斯（1997 - 2007）土星探测器任务期间收集的光谱数据，对其研究结果展开进一步的验证。

研究人员在小玻璃圆柱体中重建土卫六的条件 揭示两种有机分子的基本特性

研究人员在小玻璃圆柱体中重建土卫六的条件揭示两种有机分子的基本特性