同步加速器助力泰坦卫星表面新材料结构研究

材料牛注：通过同步加速器上的衍射分析仪，研究人员在模拟环境下，获得了土星最大卫星-泰坦卫星表面材料的结构，这为评估其可居住性开启了大门。

来自澳大利亚核科技组织（ANSTO）的行星材料科学家Helen Maynard-Casely，使用澳大利亚同步加速器来定性一种新材料的结构，这种新材料对于了解土星最大卫星泰坦的水循环非常关键，对于评估其潜在可居住也至关重要。

泰坦表面温度低至-179.2℃，在这个温度下，苯和乙烷可以形成共晶体。Maynard-Casely使用同步加速器上的粉末衍射仪确定了这个共晶体材料的原子结构，其以纯苯作为基底，通过分子边缘氢原子和中间π-键的相互吸引形成框架。该实验是在模拟泰坦环境下完成。

据Maynard-Casely 介绍，这种类型的键在以前的行星材料中从未发现，而更令人吃惊的是这种键的结合力非常强，可与在地球温度下氢-氧键的结合强度（比如冰中）相媲美。

在这种新材料中，苯分子高度对称环绕在乙烷分子周围。苯分子实际上形成了一个带通道框架，而乙烷分子将这些通道占据。

Maynard-Casely也对上述现象进行了解释，她认为乙烷占据通道的唯一原因就是使系统能量降低，即主-客体结晶结构将会使系统能达到量最低配置，而不是苯与乙烷单独结晶。这也引起我们对于其它材料可能结构的思考。

由于在-179.2℃下，形成材料的物理和化学过程将变得不同一般，因此，Maynard-Casely认为自己应该像一个泰坦地质学家那样去思考问题，而不是像地球地质学家那样。

最近有关泰坦卫星的研究表明，尽管大家认为地壳和更深层高压冰之间存在地下海洋的水，但是在泰坦表面几乎不存在水-冰。

然而，泰坦确实存在一个由云、湖泊以及海组成的厚厚大气层，所有东西都被认为是由甲烷和乙烷的混合物组成，而山和沙丘是由小颗粒碳氢化合物组成。

卡西尼号宇宙飞船发现泰坦上确实存在水循环，但是该循环是由甲烷和乙烷驱动完成，而不是像地球上那样，由水完成。尽管化学成分有所不同，但是我们也发现了很多与地球上类似的特征，比如，干涸的湖床。

Maynard-Casely和其团队成员认为，在地球上，当湖泊干涸后，留下来的是蒸发的矿物质、盐与氢氧化物组成的混合物。而在泰坦上，液态的甲烷和乙烷蒸发后，留下来的可能是他们的共晶体。

泰坦卫星上面的蒸发现象一直是地球化学循环缺失的一部分。有云彩有湖泊，但是它们之间的中间物到底是什么？未来我们的工作就是获悉泰坦表面材料，从而开启对泰坦表面特征进行科学解释的大门。

该成果已在International Union of Crystallography上发表。

原文网址：Synchrotron used to find structure of a new material that could be found on the surface of Saturn's moon Titan

感谢素材组王宇提供素材。