中国科学技术大学在复杂有机团簇分子的形成和演化研究取得新进展

中国科学技术大学地球和空间科学学院的甄军锋、秦礼萍团队在复杂有机团簇分子的形成和演化研究方面取得新进展。研究结果为星际大分子自下而上的生长过程中复杂有机化合物的形成提供了一条气相生长的路径，并为进一步深入了解它们在星际介质中的化学演化行为提供了理论和实验数据支持。研究成果于7月16日在国际学术期刊天文与天体物理学报*《Astronomy & Astrophysics》*上发表。

星际复杂有机分子被认为是更复杂的有机化合物的一部分，甚至是生命物质的重要组成部分（见图一）。有机分子已知存在于恒星形成区域和行星形成的原行星盘中。然而，气相中的游离有机分子在紫外光照射下容易被破坏，单个紫外光子的能量就能够解离这些分子。多环芳香烃化合物及其衍生物可能在复杂有机化合物的演化过程中发挥重要作用，大型的多环芳香烃化合物分子或团簇以及非常小的尘埃颗粒可以有效的保护这些气相有机分子，避免其被紫外光解离破坏掉。

图一.复杂有机分子在星际空间中的演化路径

在这项工作中，研究团队利用自主搭建的实验仪器平台研究有机分子-多环芳香烃团簇在离子-分子碰撞反应过程中的稳定性和堆积形成的途径：大质量的多环芳香烃阳离子(二晕苯C48H20+)和有机分子(焦谷氨醇, C5H9NO2)作为反应物的形成和演化途径（见图二，实验结果已经发表在Hu et al.Astronomy & Astrophysics, 2021, 656, A80）；对多环芳香烃有机分子团簇((C5H9NO2)1-6C48+, n=[1,6])的形成过程进行了一系列的理论计算（见图三）。

图二.实验研究DC+与焦谷氨醇反应所得质谱图

图三. 树状生长图展示了(C5H9NO2)1-6C48+团簇分子的生长路径

实验及理论研究表明，复杂的有机分子或其他相关生命前分子可以有效地吸附在星际介质中的小尘埃颗粒上。根据实验及理论计算结果，在(C5H9NO2)1-6C48+, n=[0,5])和C5H9NO2 之间发生离子-分子反应，有大量反应途径，会产生非常复杂的具有三维结构的大质量的分子团簇。这些分子团簇（石墨烯-有机分子团簇）为星际介质中自下而上中的大型复杂生命前分子提供了可能的形成和化学进化途径。离子-分子反应合成路线对研究星际化学至关重要，并表明气相星际物质在自下而上的生长过程中可以直接形成大型复杂的有机衍生物。这种有趣生命前分子团簇的产生为有机物分子在星际空间中的演化过程提供了更深入的理解。研究结果还表明，有机分子可以积聚在星际介质中的小尘埃颗粒上（例如，大质量的多环芳香烃或石墨烯），同时这一积聚过程也支持了生命前分子可以通过彗星、陨石或星际尘埃颗粒输送到地球这一观点。