科學家們創造了一種新型冰，其密度和結構與水相匹配，這或許為研究水的神奇特性打開了一扇大門。
倫敦南岸大學的水結構專家馬丁·卓別林說：“它可能是時間凍結的液態水。”他沒有參與這項工作。“這可能非常重要。”
這種冰被稱為中等密度非晶冰。由倫敦大學學院 (UCL) 的亞歷山大·羅蘇-芬森領導的團隊，在 -200 攝氏度的溫度下，在一個裝有釐米寬不鏽鋼球的小容器中搖晃普通冰，從而產生了這種以前從未見過的變體。這種冰呈現為白色顆粒狀粉末，粘附在金屬球上。該研究結果今天發表在《科學》雜誌上1。
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隨意排列的分子
通常，當水結冰時，它會結晶，其分子排列成我們熟悉的六邊形固態結構，我們稱之為冰。冰的密度低於其液態形式——對於晶體來說，這是一種不尋常的特性。根據壓力和凍結速度等條件，水也可以以其他二十幾種規則排列中的任何一種固化。非晶冰是不同的：它沒有這種秩序。“你有許多分子隨意地連線在一起，”卓別林說。
先前已經發現了兩種型別的非晶冰，都在二十世紀。“低密度”非晶冰是水蒸氣在低於 -150 攝氏度的極冷表面上凍結的結果；“高密度”非晶冰是透過在高壓下壓縮類似溫度下的普通冰形成的。雖然這兩種型別在地球上都不常見，但在太空中都很豐富。“彗星是巨大的低密度非晶冰塊，”UCL 的化學家、最新研究的合著者克里斯托夫·薩爾茨曼說。
該團隊使用球磨機（一種通常用於礦物加工中研磨或混合材料的工具）來磨碎結晶冰。他們使用一個內部裝有金屬球的容器，以每秒約 20 次的速度搖晃少量冰。薩爾茨曼說，金屬球對冰產生了“剪下力”，將其分解成白色粉末。
將 X 射線射向粉末並測量它們反彈的情況——這一過程稱為 X 射線衍射——使該團隊能夠確定其結構。這種冰的分子密度與液態水相似，分子沒有明顯的有序結構——這意味著結晶度“被破壞了”，薩爾茨曼說。“你看到的是一種非常無序的材料。”
加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學家馬裡烏斯·米洛特說，這些結果“非常令人信服”。“這是一個很好的例子，說明我們對水仍然有很多需要了解的地方。”
這些結果與英國劍橋大學團隊的科學家產生的模型相符，該模型預測瞭如果以這種方式分解普通冰會發生什麼。然而，鑑於該粉末之前是作為結晶冰冷凍的，因此尚不清楚由此產生的粉末是否真正符合液態水的特性。調查這一點將需要進一步的工作。
意義重大
如果得到證實，這種新型冰可以以前所未有的方式研究水。“液態水是一種奇怪的物質，”卓別林說。“我們對它的瞭解仍然不如我們希望的那麼多。”例如，人們普遍認為水由兩種形式組成：低密度水和高密度水，與先前已知的非晶冰變體相匹配。中等密度非晶冰的發現可能會挑戰這一觀點。
薩爾茨曼說：“如果中等密度非晶冰真的與液態水有關，那就意味著這個模型是不正確的。”“這可能會開啟冰研究的新篇章。”
對於理解其他世界，這也具有意義。我們太陽系中的一些衛星，例如木星的衛星木衛二和土星的衛星土衛二，具有冰冷的表面。如果這樣的衛星上的兩個冰冷區域由於潮汐力而相互摩擦，它們可能會透過研究人員使用的相同剪下過程在它們之間產生中等密度非晶冰。
密度的增加可能會在表面產生縫隙，從而在衛星上產生破壞，因為冰塊會相互碰撞。“冰會發生大規模的坍塌，”薩爾茨曼說。“這可能會對冰衛星的地球物理學產生嚴重影響。”
反過來，這可能會對這些衛星冰面下液態水海洋的潛在宜居性產生影響。“關於這些衛星的關鍵問題之一是，你是否可以在液態水和岩石之間有一個介面——生命可能在那裡出現，”米洛特說。“非晶冰可能發揮著我們需要理解的作用。”
本文經許可轉載，並於 2023 年 2 月 2 日首次發表。