综述：固相天体化学的多尺度视角：实验室、计算与开放性问题

《SPACE SCIENCE REVIEWS》：Multiscale Perspectives on Solid-Phase Astrochemistry: Laboratory, Computation, and Open Questions

本综述系统阐述了星际尘埃颗粒表面冰幔的形成、演化及其催化复杂化学反应的关键作用。作者结合实验室模拟（如超高真空低温沉积、紫外/电子辐照）与计算模型（如动力学蒙特卡罗、分子动力学），揭示了冰相（无定形vs结晶）对复杂有机分子（COMs）形成路径的显著影响，并指出当前实验沉积速率与星际介质（ISM）实际条件的差异可通过多尺度模拟解决。文中重点探讨了热加工、光化学及辐射化学对冰幔中氨基酸前体（如氨基甲酸铵）生成的促进作用，为生命前分子起源研究提供重要参考。

　　

星际尘埃：宇宙化学的催化平台

星际尘埃仅占星际介质（ISM）质量的1%，却是宇宙化学反应的枢纽。这些纳米至微米级的颗粒主要源于渐近巨星分支（AGB）恒星大气或超新星爆发，成分为硅酸盐（如镁铁橄榄石Mg_2xFe_2-2xSiO₄）和碳质材料（如无定形碳、多环芳烃PAHs）。尘埃表面具有不规则多孔结构，比表面积巨大，为分子吸附与反应提供了理想场所。其生命周期始于恒星演化末期，最终通过分子云塌缩融入新一代行星系统，构成宇宙物质循环的关键环节。

冰幔的诞生与演化

在温度低至10 K的分子云核心，气体分子（如H₂O、CO、NH₃）通过范德华力凝结于尘埃表面，形成多层冰幔。冰幔生长速率公式^[1]显示，单纯气态 accretion 需数十亿年，远超过分子云寿命（约10 Myr），表明表面反应是冰幔形成的主因。年轻分子云中氢原子丰度高，利于生成极性冰（如H₂O、CH₄）；而年老云中则形成非极性冰（如CO、N₂），形成“三明治”结构冰层。

冰相态对化学反应效率具有决定性影响。结构区模型（SZM）揭示：低温（6 K）沉积生成多孔无定形冰，高温（>120 K）则形成立方晶系冰（I_c）。实验表明，无定形冰因孔隙结构促进自由基扩散，使过氧化氢（H₂O₂）产率较结晶冰高2倍以上。近期研究甚至发现，等离子体环境中无需尘埃基底即可自发生成 fractal 结构水冰颗粒，挑战了传统冰幔形成认知。

冰幔加工的多元化途径

冰幔加工机制覆盖从热扰动到高能辐射的广阔能谱范围。表面反应是基础，如氢原子通过 Langmuir-Hinshelwood 机制在硅酸盐表面催化形成H₂，解决了宇宙中最丰富分子的来源难题。热加工（80–160 K）触发非平衡反应，例如CO₂与NH₃生成氨基甲酸铵（NH₄⁺NH₂COO^?）和氨基甲酸（NH₂COOH），后者在39 K低温下即可通过量子隧穿效应形成。

辐射化学尤为关键：宇宙射线撞击H₂产生的次级紫外光子（3–11 eV）引发光解离，碎片重组后形成复杂有机分子（COMs）。例如，甲醇（CH₃OH）辐照产生羟甲基（CH₂OH），进一步反应生成乙醇等更大分子。实验证实，电子辐照H₂O:CH₃OH:NH₃混合冰可合成9种氨基酸，而“分子火山”效应（孔隙塌陷致分子喷射）则将固态COMs释放至气相，便于望远镜探测。

实验室模拟的挑战与突破

现行实验通过超高真空（10^?12 mbar）与液氦冷却（10 K）模拟星际环境，但存在三大局限：1) 冰沉积速率（~1 ML/s）较星际实际（3×10^?14 ML/s）高15个量级，影响冰形态；2) 地球重力干扰颗粒悬浮；3) 常用红外透明基底（如KBr）与真实尘埃成分差异显著。创新方案包括超声悬浮技术及国际空间站微重力实验，而多尺度计算模型正成为弥合实验与观测差距的桥梁。

计算模拟的多尺度整合

动力学蒙特卡罗（KMC）模拟可实现百万年时间尺度的冰幔生长建模，揭示低沉积速率下冰层孔隙度降低的规律。分子动力学（MD）模拟则从原子层面追踪反应路径，如ReaxFF力场模拟宇宙射线轰击冰颗粒，显示18.23 keV离子径迹能在皮秒内将局部加热至5000 K，促进NH₄⁺和甲酰胺生成。新兴的多尺度平台（如MBN Explorer）整合量子-分子-连续介质模型，实现从电子激发到尘埃聚集的全链条模拟。

未解之谜与未来方向

当前核心争议包括：1) 实验室快速沉积是否扭曲冰幔化学活性？KMC模拟表明低速沉积冰更致密，可能抑制某些反应通道；2) 结晶相与无定形相在辐射下的稳定性反转机制（如SO₂冰中结晶相更易分解）；3) 尘埃生长模型预测冰幔会降低SiO₂颗粒黏附效率，挑战传统行星形成理论。随着詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）发现更多星际分子，结合人工智能优化的力场参数库，多尺度模拟将最终揭示宇宙中从尘埃到生命的化学演化路径。