空间电离辐射下冰嵌入甘氨酸稳定性的实时含时密度泛函与密度泛函理论研究

本研究通过RT-TD-DFT（实时含时密度泛函理论）和DFT（密度泛函理论）方法，揭示了46 MeV Ni11+电离辐射与冰嵌入甘氨酸相互作用时的能量沉积与电荷转移机制。研究发现，辐射直接撞击甘氨酸会导致显著电离，而周围水冰环境影响微弱。该研究为星际冰中有机分子的辐射稳定性提供了理论依据，对理解太空环境中氨基酸的存活与化学演化具有重要意义。

　　

在浩瀚的宇宙中，寒冷稠密的星际分子云是孕育复杂有机分子的摇篮。这些分子云中的冰层（温度低于20 K）长期暴露在宇宙射线等高能电离辐射下，可能触发一系列化学反应，甚至形成生命前体分子如氨基酸。然而，这些分子能否在强辐射环境中存活仍是未解之谜。近年来，星尘号、罗塞塔号等任务相继在彗星和陨石中检测到甘氨酸，进一步激发了科学家对太空氨基酸起源与稳定性的探索热情。

传统实验研究虽已证实甘氨酸在气相和晶体状态下的辐射分解行为，但对其在星际冰环境中的响应机制仍缺乏理论阐释。为此，Dahbia Talbi团队联合多国研究人员，采用RT-TD-DFT和DFT方法，首次模拟了46 MeV高能Ni¹¹⁺离子与冰嵌入甘氨酸的相互作用过程，相关成果发表于《Life Sciences in Space Research》。

研究采用三大关键技术：1）RT-TD-DFT模拟高能粒子碰撞时的电子动力学过程；2）M06-2X泛函结合6-311++G(2d,2p)基组的DFT计算，精准描述氢键网络；3）水分子簇模型（4-6个水分子）模拟星际冰环境。样本模型基于实验证实的低密度非晶冰（LDA）结构。

I-Glycine分子在非晶冰中与Ni¹¹⁺的相互作用
RT-TD-DFT模拟显示，Ni¹¹⁺直接撞击甘氨酸会导致其最高三重电离（3+），而通过水分子传递的能量仅引起微弱电荷交换。这一发现首次量化了星际冰的"屏蔽效应"局限性。

II-1气相碎片化
中性甘氨酸的脱羧（CO₂释放）和脱氨（NH₃释放）路径能垒相近，而单电离甘氨酸更易发生脱羧，双电离态则需克服更高能垒。M06-2X泛函计算显示，单电离态的脱羧需经历两次构象转变（trans→cis），涉及羟基氢向氮原子的转移。

II-2水簇计算
水分子环境使中性甘氨酸脱羧能垒降低12 kcal/mol，而单电离态的过渡态稳定性显著提升。这表明星际冰可能选择性催化特定碎片化路径。

讨论与结论
研究证实：1）高能辐射可直接电离冰层深处的甘氨酸；2）水环境通过氢键网络调控碎片化路径选择；3）脱羧是电离态甘氨酸的主导分解机制。这些发现为解释太空氨基酸的检测提供了理论支撑，并为实验室模拟星际化学建立了新范式。值得注意的是，研究采用的M06-2X泛函比传统B3LYP更适用于冰-有机分子相互作用体系，这为后续研究提供了方法论参考。

该研究不仅填补了星际分子辐射稳定性理论的空白，其建立的"水簇-辐射"耦合模型还可拓展应用于其他生命前体分子（如丙氨酸）的研究。法国国家研究署（ANR）资助的RUBI项目将进一步探索更复杂冰混合物的辐射效应，为揭示太空生命起源化学开辟新途径。