同步加速器助力泰坦衛星表面新材料結構研究

科技 04-20

材料牛註：通過同步加速器上的衍射分析儀，研究人員在模擬環境下，獲得了土星最大衛星-泰坦衛星表面材料的結構，這為評估其可居住性開啟了大門。

來自澳大利亞核科技組織（ANSTO）的行星材料科學家Helen Maynard-Casely，使用澳大利亞同步加速器來定性一種新材料的結構，這種新材料對於了解土星最大衛星泰坦的水循環非常關鍵，對於評估其潛在可居住也至關重要。

泰坦表面溫度低至-179.2℃，在這個溫度下，苯和乙烷可以形成共晶體。Maynard-Casely使用同步加速器上的粉末衍射儀確定了這個共晶體材料的原子結構，其以純苯作為基底，通過分子邊緣氫原子和中間π-鍵的相互吸引形成框架。該實驗是在模擬泰坦環境下完成。

同步加速器助力泰坦衛星表面新材料結構研究

據Maynard-Casely 介紹，這種類型的鍵在以前的行星材料中從未發現，而更令人吃驚的是這種鍵的結合力非常強，可與在地球溫度下氫-氧鍵的結合強度（比如冰中）相媲美。

在這種新材料中，苯分子高度對稱環繞在乙烷分子周圍。苯分子實際上形成了一個帶通道框架，而乙烷分子將這些通道佔據。

Maynard-Casely也對上述現象進行了解釋，她認為乙烷佔據通道的唯一原因就是使系統能量降低，即主-客體結晶結構將會使系統能達到量最低配置，而不是苯與乙烷單獨結晶。這也引起我們對於其它材料可能結構的思考。

由於在-179.2℃下，形成材料的物理和化學過程將變得不同一般，因此，Maynard-Casely認為自己應該像一個泰坦地質學家那樣去思考問題，而不是像地球地質學家那樣。

最近有關泰坦衛星的研究表明，儘管大家認為地殼和更深層高壓冰之間存在地下海洋的水，但是在泰坦表面幾乎不存在水-冰。

同步加速器助力泰坦衛星表面新材料結構研究

然而，泰坦確實存在一個由雲、湖泊以及海組成的厚厚大氣層，所有東西都被認為是由甲烷和乙烷的混合物組成，而山和沙丘是由小顆粒碳氫化合物組成。

卡西尼號宇宙飛船發現泰坦上確實存在水循環，但是該循環是由甲烷和乙烷驅動完成，而不是像地球上那樣，由水完成。儘管化學成分有所不同，但是我們也發現了很多與地球上類似的特徵，比如，乾涸的湖床。

Maynard-Casely和其團隊成員認為，在地球上，當湖泊乾涸後，留下來的是蒸發的礦物質、鹽與氫氧化物組成的混合物。而在泰坦上，液態的甲烷和乙烷蒸發後，留下來的可能是他們的共晶體。

泰坦衛星上面的蒸發現象一直是地球化學循環缺失的一部分。有雲彩有湖泊，但是它們之間的中間物到底是什麼？未來我們的工作就是獲悉泰坦表面材料，從而開啟對泰坦表面特徵進行科學解釋的大門。

該成果已在International Union of Crystallography上發表。

本文由材料人網編輯部王宇提供素材，mike713編譯。

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