土卫六湖中的奇异晶体可能打破化学的基本规则

关于土星的月亮巨人挑战了科学家认为的化学基本规则。

在那里，在极寒新的研究表明，一些据称根本不相容的分子可能会结合形成太阳系中从未见过的固体。

据瑞典查尔姆斯理工大学化学家费尔南多·伊兹奎尔多-鲁伊斯领导的一个团队称，这种外星物质很可能在土卫六上大量存在。

“这些都是非常令人兴奋的发现，可以帮助我们了解非常大规模的东西，一个和地球一样大的卫星[土卫六]汞,"化学家马丁·拉姆说查尔姆斯理工大学。

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土卫六是一个迷人的小角落太阳系的。它的湖泊甲烷和碳氢化合物含有复杂的化学成分，非常接近激发生命所需的益生元化学成分。那并不意味着那里的生活是可能的，但它确实提供了一个机会来了解生命可能出现的条件。

益生元化学的一个特殊基石是氰化氢，在适当的条件下，它们会形成可以成为生命组成部分的化合物，例如核碱基和氨基酸。氰化氢是丰富在土卫六上。

它也是一种强极性分子，电子分布不均匀，使其带不平衡的电荷。

通常，极性和非极性分子——例如土卫六上的甲烷和乙烷——往往会相互排斥。它需要更多的能量迫使他们走到一起而不是让他们分开。这是防止（极性）水与（非极性）油混合的确切机制。

研究人员对氰化氢在土卫六上可能行为的调查始于美国宇航局喷气推进实验室的科学家，他们试图弄清楚该分子在土卫六大气中形成后会发生什么。

他们在大约 -180 摄氏度（-292 华氏度）的温度下进行了实验，与土卫六的表面温度一致。在这种极冷的天气里，氰化氢是晶体，而甲烷和乙烷是液态的。

实验运行并分析了所得混合物后，美国宇航局的研究人员可以看出有些变化，但不确定发生了什么变化，因此他们招募了查尔默斯的化学家。

“这导致了查尔默斯和美国宇航局之间令人兴奋的理论和实验合作，”拉姆 说.“我们问自己的问题有点疯狂：这些测量结果可以用甲烷或乙烷与氰化氢混合的晶体结构来解释吗？这与化学中的一条规则相矛盾，'同类溶解'，这基本上意味着不应该将这些极性和非极性物质结合起来。

实验设置类似：一个温度调低到 -180 摄氏度左右的腔室，研究人员在其中生长氰化氢晶体。在这种环境中，他们引入了甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，使用拉曼光谱记录分子如何振动。

他们记录了暴露于甲烷和乙烷后氰化氢振荡的微小但明显的变化——表明这些不相容的物质不仅彼此相邻，而且相互作用。

这些变化的方向表明，氰化氢中的氢键正在被甲烷和乙烷微妙地加强、弯曲和拉伸。

接下来，该团队转向计算机建模来证实他们的怀疑：甲烷和乙烷在氰化氢晶格的间隙之间滑落，结合形成称为共晶的结构，在类土卫六温度下保持稳定。

研究人员得出结论，在类似土卫六的条件下，分子不会像在较高温度下那样进行热抖动，这使得甲烷和乙烷能够穿透氢氰化物，这表明通常相互憎恨的分子如何相互作用和结合。

“这些物质之间意外相互作用的发现可能会影响我们如何理解土卫六的地质及其湖泊、海洋和沙丘的奇异景观，”拉姆 说.

不幸的是，我们可能需要等待几年才能确认这种奇异化学成分的重要性，预期的蜻蜓探测器预计要到 2034 年才能在土星的奇数卫星上登陆。

“在那之前，这些结构代表着一个谦卑的提醒，即基础化学是多么令人惊讶，”研究人员写.

在未来的工作中，研究人员希望发现如果条件恰到好处，还有哪些其他非极性物质可以很好地与氰化氢发挥作用。

该研究已发表在美国国家科学院院刊.

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