马克斯·普朗克天文研究所的天文学家对自然界的微小深空实验室：覆盖着冰的微小的尘埃颗粒，进行了历史上最深入的研究。这些颗粒看起来不是蓬松的尘埃网络，而是薄薄的冰层，不是规则形状的冰的厚厚覆盖。特别是，这意味着尘埃颗粒具有较大的表面，这是大多数化学反应发生的地方。这种新结构对天文学家关于太空中有机化学的认知具有基本的影响，因此对可能在地球生命起源中发挥重要作用的益生元分子的产生也具有重要意义。
如上图所示尘埃颗粒（灰色）与冰分子（蓝色）的混合，以及促进深空化学处理的主要外部影响：热量、原子轰击、紫外线辐射和宇宙射线的宇宙粒子流。
在深空创造复杂的分子绝非易事。据目前所知，发生必要反应的自然实验室是表面结冰的星际尘埃颗粒。该研究的新实验结果表明，在现实条件下，冰层很薄，以致尘粒本身的表面结构起着重要作用。
这开辟了一个新的研究领域：对生命的有机前体分子的宇宙起源感兴趣的人，将需要仔细研究宇宙尘埃颗粒表面的不同性质，以及它们与少量冰的相互作用，以及由此产生的复杂环境在帮助合成复杂有机分子方面所起的作用。
当思考生命以及我们是如何进入这个宇宙时，有几个重要步骤需要考虑，包括物理、化学和生物学。最早的生物学故事发生在地球上，但是对于无论是物理还是化学却并非如此：大多数化学元素，包括碳和氮，都是由恒星内部的核聚变产生的。
分子，包括形成氨基酸所需的有机分子或我们自己的DNA，可以在星际介质中形成。在少数情况下能够直接探测分析宇宙尘埃，分析发现了复杂的分子，例如简单的氨基酸甘氨酸。在行星系统演化的过程中，有机分子可以通过陨石和早期彗星传输到行星表面。
最初，这些分子如何在恒星之间几乎真空的范围内形成，这不是一个简单的问题。在外层空间中，大多数原子和分子都是超薄气体的一部分，几乎没有任何相互作用，更不用说构建更复杂的有机分子所需的相互作用了。
在1960年代，对星际化学感兴趣的天文学家开始提出这样的想法，即星际尘埃可以充当“星际实验室”，这将促进更复杂的化学反应。这种晶粒，无论是碳基还是硅酸盐基，通常都在冷恒星的外层或超新星爆炸后形成。在气体和尘埃云中，不同种类的分子会粘附在冷物粒上，分子会积聚，最终会发生有趣的化学反应。具体而言，灰尘颗粒积聚冰幔（主要是水冰，还有一些其他分子，如一氧化碳）大约需要10万年。然后，该冰冷层将充当一个微小的宇宙化学实验室。
对这个话题感兴趣的天文学家很快意识到，他们需要进行实验才能解释他们对星际气云的观察。他们将需要在地球上的实验室中研究被冰覆盖的尘埃颗粒及其与分子的相互作用。为此，他们将使用真空室，模拟空间的空度以及适当的温度。由于当时的假设是冰表面上的化学物质，因此在这种实验中使用冰层已成为惯例，这种冰层适用于普通表面，例如溴化钾（KBr）晶体板或金属表面。但是，新结果表明，充其量只是一部分。
如上图所示的人造宇宙尘埃粒子的电子显微镜图像，分辨率不同（左侧为透射电子显微镜，右侧为扫描电子显微镜）。两者均显示出晶粒的复杂，复杂的表面结构，从而导致较大的表面。
马克斯·普朗克天文研究所一直将探索行星的形成以及生命的起源作为主要研究目标，而冰粒尘对这两者都起着重要作用。因此，自2003年以来，该研究所设立了一个实验室天体物理和团簇物理研究小组。
该小组设备的一部分是可用于制造人造宇宙尘埃粒子的激光器。将激光对准石墨样品，从表面侵蚀消融微小的颗粒，其直径仅为纳米（一纳米等于十亿分之一米）。研究人员研究这种人造尘埃颗粒时，会在表面上形成不同种类的冰，他们开始对标准图像的结冰的表面化学过程产生怀疑。
它们在实验室产生的尘埃颗粒并没有像洋葱那样完全被几层固态冰（水冰或一氧化碳冰）完全覆盖，而是尽可能多地贴近现实的深空条件，并进行了多次锯切形状，即蓬松的灰尘和冰网络。
使用这种形状，它们的总表面积比简单形状大到几百倍之多，这是改变分子云中检测到的水如何覆盖某些物粒的计算规则。由于表面积较小，因此被可用的水完全覆盖，因此到达的表面更扩展，在某些地方将具有较厚的层，而在其他地方，仅存在一层冰晶，这是因为没有足够的水覆盖所有巨大的表面积的几层冰。
这种结构对冰尘颗粒作为微小的宇宙实验室的作用具有深远的影响。化学反应取决于已粘附在表面的分子，以及这些分子如何移动消散，与其他分子相遇发生反应，变得粘附或不再粘附。在新的、蓬松的、尘土飞扬的宇宙实验室中，这些环境条件完全不同。
研究人员说：“现在我们知道尘粒的重要性，新的因素已经进入。了解新参与者可以使我们有更好的机会了解在以后阶段可能导致生命出现在宇宙中的化学过程的基本化学反应。”
同样，如果微粒没有隐藏在厚厚的冰层下，而是可以与粘附在表面上的分子相互作用，则它们可以充当催化剂，仅通过它们的存在即可改变化学反应的速率。突然，某些形成有机分子（如甲醛）或某些氨化合物的反应应变得更加普遍。两者都是益生元分子的重要前体，因此焦点的改变将直接影响我们对地球化学生命史的解释。
研究人员表示：“这些是寻找太空中复杂分子形成的令人振奋的新方向。作为后续行动，普朗克天文研究所刚刚开设了新的“生命起源”实验室以进行新型的研究。”
一般而言，新的结果以及先前实验中获得的许多类似结果构成了对天体化学界的警示：如果想了解星际介质中的天体化学及其对生命起源的影响，远离洋葱似的冰层，拥抱灰尘表面的作用，拥抱这个大自然的微小宇宙实验室。
该最新研究论文发表在最近的《物理评论快报》上。
