【摘要】 天体化学最新研究通过FELIX系统与量子计算，解析含氮芳香分子裂解机制，提供JWST望远镜星际分子探测数据库与光谱识别技术方案。

摘要

最新天体化学研究通过红外光谱技术揭示了含氮芳香分子在星际介质中的裂解规律。本文深度解析吡啶（C₅H₅N）与苯腈（C₇H₅N）的解离化学机制，为JWST望远镜搜寻星际有机分子提供关键光谱数据库。

 

实验方法与技术突破

研究团队采用自由电子激光FELIX系统，结合低温红外预解离光谱（IRPD）技术，首次实现星际分子碎片结构的精准识别。如图1所示：[图1：苯腈解离电离击穿曲线对比图（alt="苯腈分子电离能测试数据对比图"）]，实验数据与电子冲击电离研究高度吻合，验证了9.73eV电离能阈值的准确性。

图1 （a）吡啶和（b）苯腈在15 eV电子冲击能量下解离电离的实验质谱

关键技术亮点：

1.量子化学计算验证碎片结构

2.分子动力学模拟预测裂解路径

3.SCC-DFTB理论模型构建势能面

 

天体化学研究中的关键发现

星际分子裂解规律

通过密度泛函理论计算，研究团队确认了两种含氮分子的主要裂解通道（见图2）：

含氮分子裂解路径分子模型图

图2 从吡啶（蓝框）和苯腈（红框）解离电离的主要裂解通道中发现的结构示意图

  • ​苯腈：优先发生C-CN键断裂
  • ​吡啶：主要产生HCN碎片分子

未检出分子溯源新思路

研究提出碎片指纹识别法：通过检测裂解产物的红外振动特征（如3150-3300cm⁻¹特征峰），可间接验证母体分子在星际介质中的存在。

 

未来研究方向与观测支持

该研究成果已纳入JWST望远镜观测数据库，重点支持以下探测计划：

1.猎户座大星云含氮分子普查

2.原行星盘有机分子演化追踪

3.彗星挥发物成分光谱分析

理论突破意义：建立含氮分子裂解预测模型，为解释陨石样本中发现的喹啉等复杂有机分子提供形成机制参考。

 

实验数据引用

研究团队在《Faraday Discussions》发表的原始数据包含：

  • 12组红外振动模式对照表
  • 8套势能面动态模拟参数
  • 6类碎片产物质谱特征

 

参考文献：1.Rap, D. B.;  Simon, A.;  Steenbakkers, K.;  Schrauwen, J. G. M.;  Redlich, B.; Brünken, S., Fingerprinting fragments of fragile interstellar molecules: dissociation chemistry of pyridine and benzonitrile revealed by infrared spectroscopy and theory. Faraday Discuss. 2023, 245 （0）, 221-244.

 

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