使用原子力显微镜直接测量土星卫六气溶胶类似物（“Tholin”）的粒子间作用力

为了了解土星卫六上沙丘的起源，研究土星卫六上有机沙粒的物质特性非常重要。由于粒子间作用力的差异，有机沙粒的行为可能与类地行星（地球、金星、火星）上的石英/玄武岩沙粒有显著不同。我们测量了土星卫六气溶胶类似物（tholin）的表面能（通过接触角测量）和弹性模量（通过原子力显微镜，AFM）。我们发现 tholin 薄膜的表面能约为 70.9 mN/m，其弹性模量约为 3.0 GPa（类似于 PMMA 和聚苯乙烯等硬聚合物）。因此，对于两颗直径为 20 $\mu$m 的颗粒，理论内聚力为 3.3 $\mu$N。我们直接测量了相关材料的粒子间作用力：tholin 颗粒为 0.8$\pm$0.6 $\mu$N，而核桃壳颗粒（Titan Wind Tunnel, TWT 的典型模型材料）之间的粒子内聚力仅为 0.4$\pm$0.1 $\mu$N。tholin 以及推测的土星卫六沙粒的粒子间内聚力远大于 TWT 中使用的材料。这表明我们应该在模拟实验（TWT）和阈值模型中增大粒子间作用力，以将结果正确转化为真实的土星卫六条件。tholin 的强内聚力也可以为我们提供信息，说明土星卫六大气中的微小气溶胶颗粒（$\sim$1 $\mu$m）是如何转化为大沙粒（$\sim$200 $\mu$m）的。这也可能支持 Rubin 和 Hesp (2009) 提出的内聚沙粒形成机制，即只需要单向风即可在土星卫六上形成线性沙丘。