土星的卫星泰坦刚刚打破了一条化学界的古老规则

土星最大的卫星土卫六长期以来吸引着研究人员，因为其演化过程可能揭示塑造我们地球早期的化学过程。土卫六寒冷的表面及其富含氮气和甲烷的浓密大气层，被认为与数十亿年前早期地球的环境相似。通过探索土卫六，科学家们希望找到有关生命起源的新线索。

查尔姆斯理工大学化学与化学工程系副教授马丁·拉姆（Martin Rahm）多年来一直致力于研究土卫六的化学性质。他和同事们现在认为，他们的最新发现——某些极性和非极性物质*在极端低温下可以结合——可能为未来对该卫星表面和大气层的研究提供指导。

“这些发现非常令人兴奋，它们能帮助我们从宏观层面理解像水星那么大的卫星的一些情况。”他说。

极端环境中生命构成物质的新见解
这项发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的研究揭示，甲烷、乙烷和氰化氢——土卫六表面和大气层中丰富的化合物——能够以曾经被认为不可能的方式相互作用。氰化氢是一种强极性分子，它能与甲烷、乙烷等非极性物质一起形成晶体，这一事实非常引人注目，因为这类分子通常会像油和水一样分离开来。

“这些物质之间意外相互作用的发现，可能会改变我们对土卫六地质结构及其湖泊、海洋和沙丘等奇特地貌的理解。此外，氰化氢很可能在多种生命构成物质（如用于构建蛋白质的氨基酸和遗传密码所需的核苷酸碱基）的非生物合成中发挥重要作用。因此，我们的研究也为理解生命出现前的化学过程以及这些过程在极端、不适宜生命生存的环境中如何进行提供了见解。”该研究的负责人马丁·拉姆说。

一个未解问题促成与NASA的合作
查尔姆斯理工大学的这项研究始于一个关于土卫六的简单但悬而未决的问题：氰化氢在卫星大气层中形成后会发生什么？它是在表面堆积成厚厚的层，还是以某种方式与周围环境发生反应？为了研究这个问题，美国加州NASA喷气推进实验室（JPL）的科学家在约90开尔文（约-180摄氏度）的极低温度下进行了氰化氢与甲烷、乙烷混合的实验。在这样的温度下，氰化氢会变成晶体，而甲烷和乙烷则保持液态。

当研究团队使用激光光谱法（一种在原子层面检测材料和分子的方法）分析这些混合物时，他们发现尽管分子保持完整，但发生了一些不寻常的事情。为了弄清楚这一点，他们联系了查尔姆斯理工大学的拉姆团队，该团队在氰化氢化学领域拥有深厚的专业知识。

“这促成了查尔姆斯理工大学和NASA之间令人兴奋的理论与实验合作。我们问自己的问题有点疯狂：这些测量结果能否用甲烷或乙烷与氰化氢混合形成的晶体结构来解释？这与化学中的‘相似相溶’规则相矛盾，该规则的基本意思是极性和非极性物质应该无法结合。”马丁·拉姆说。

拓展化学的边界
查尔姆斯理工大学的研究人员使用大规模计算机模拟，测试了数千种固态分子的不同排列方式，以寻找答案。在分析中，他们发现碳氢化合物（甲烷、乙烷等）已经穿透了氰化氢的晶格，并形成了被称为共晶体的稳定新结构。

“这可以在像土卫六那样的极低温度下发生。我们的计算不仅预测了这些意外混合物在土卫六环境下是稳定的，还预测了与NASA测量结果非常吻合的光谱。”他说。

这一发现挑战了化学中最著名的规则之一，但马丁·拉姆认为现在还不是重写化学教科书的时候。“我认为这是一个很好的例子，说明化学的边界在不断移动，一个被普遍接受的规则并不总是适用。”他说。

2034年，NASA的“蜻蜓”（Dragonfly）太空探测器预计将抵达土卫六，旨在调查其表面的情况。在此之前，马丁·拉姆和他的同事们计划继续探索氰化氢化学，部分研究将与NASA合作进行。

“氰化氢存在于宇宙中的许多地方，例如大型尘埃云、行星大气层和彗星中。我们的研究发现可能有助于理解太空中其他寒冷环境中发生的事情。我们还可能弄清楚其他非极性分子是否也能进入氰化氢晶体，如果可以，这对生命出现前的化学过程可能意味着什么。”他说。

关于这项研究的更多信息
题为《氰化氢与碳氢化合物在土卫六上的混合》的科学论文已发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。作者包括费尔南多·伊兹基耶多·鲁伊斯（Fernando Izquierdo Ruiz）、摩根·L·凯布尔（Morgan L. Cable）、罗伯特·霍迪斯（Robert Hodyss）、段H·武（Tuan H. Vu）、希尔达·桑德斯特伦（Hilda Sandström）、阿尔瓦罗·洛巴托·费尔南德斯（Alvaro Lobato Fernandez）和马丁·拉姆。研究人员分别来自瑞典查尔姆斯理工大学、美国加州理工学院NASA喷气推进实验室（JPL）以及西班牙马德里康普顿斯大学。查尔姆斯理工大学的这项研究由瑞典研究委员会资助。

关于土卫六和“蜻蜓”探测器的更多信息
土星最大的卫星土卫六是太阳系中最不寻常的天体之一——它可能与地球早期演化有相似特征。土卫六被一层浓密的大气层包围，主要由氮气和甲烷组成，这种成分可能类似于数十亿年前生命出现前的地球大气层。阳光和来自太空的其他辐射使这些分子相互反应，这就是为什么该卫星被化学性质复杂、富含碳的橙色有机化合物 haze 所笼罩。通过这种方式产生的主要物质之一就是氰化氢。

土卫六极度寒冷的表面有液态甲烷和乙烷形成的湖泊与河流。它是太阳系中除地球外唯一已知表面有液态湖泊的地方。土卫六有天气和季节变化：有风，有云形成，还会下雨——不过下的是甲烷而不是水。测量还显示，在寒冷表面下方数公里处可能存在一个巨大的液态水海洋，原则上可能孕育生命。

2028年，美国宇航局（NASA）计划发射“蜻蜓”太空探测器，预计2034年抵达土卫六。其目的是研究生命出现前的化学过程（即益生元化学），并寻找生命迹象。

注释：
*关于极性和非极性物质：极性物质由电荷分布不对称的分子组成（有正极和负极），而非极性物质的电荷分布对称。极性和非极性分子很少混合，因为极性分子倾向于通过静电相互作用相互吸引。