科学家们创造了一种新型冰，其密度和结构与水相匹配，这或许为研究水的神奇特性打开了一扇大门。
伦敦南岸大学的水结构专家马丁·卓别林说：“它可能是时间冻结的液态水。”他没有参与这项工作。“这可能非常重要。”
这种冰被称为中等密度非晶冰。由伦敦大学学院 (UCL) 的亚历山大·罗苏-芬森领导的团队，在 -200 摄氏度的温度下，在一个装有厘米宽不锈钢球的小容器中摇晃普通冰，从而产生了这种以前从未见过的变体。这种冰呈现为白色颗粒状粉末，粘附在金属球上。该研究结果今天发表在《科学》杂志上1。
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随意排列的分子
通常，当水结冰时，它会结晶，其分子排列成我们熟悉的六边形固态结构，我们称之为冰。冰的密度低于其液态形式——对于晶体来说，这是一种不寻常的特性。根据压力和冻结速度等条件，水也可以以其他二十几种规则排列中的任何一种固化。非晶冰是不同的：它没有这种秩序。“你有许多分子随意地连接在一起，”卓别林说。
先前已经发现了两种类型的非晶冰，都在二十世纪。“低密度”非晶冰是水蒸气在低于 -150 摄氏度的极冷表面上冻结的结果；“高密度”非晶冰是通过在高压下压缩类似温度下的普通冰形成的。虽然这两种类型在地球上都不常见，但在太空中都很丰富。“彗星是巨大的低密度非晶冰块，”UCL 的化学家、最新研究的合著者克里斯托夫·萨尔茨曼说。
该团队使用球磨机（一种通常用于矿物加工中研磨或混合材料的工具）来磨碎结晶冰。他们使用一个内部装有金属球的容器，以每秒约 20 次的速度摇晃少量冰。萨尔茨曼说，金属球对冰产生了“剪切力”，将其分解成白色粉末。
将 X 射线射向粉末并测量它们反弹的情况——这一过程称为 X 射线衍射——使该团队能够确定其结构。这种冰的分子密度与液态水相似，分子没有明显的有序结构——这意味着结晶度“被破坏了”，萨尔茨曼说。“你看到的是一种非常无序的材料。”
加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家马里乌斯·米洛特说，这些结果“非常令人信服”。“这是一个很好的例子，说明我们对水仍然有很多需要了解的地方。”
这些结果与英国剑桥大学团队的科学家产生的模型相符，该模型预测了如果以这种方式分解普通冰会发生什么。然而，鉴于该粉末之前是作为结晶冰冷冻的，因此尚不清楚由此产生的粉末是否真正符合液态水的特性。调查这一点将需要进一步的工作。
意义重大
如果得到证实，这种新型冰可以以前所未有的方式研究水。“液态水是一种奇怪的物质，”卓别林说。“我们对它的了解仍然不如我们希望的那么多。”例如，人们普遍认为水由两种形式组成：低密度水和高密度水，与先前已知的非晶冰变体相匹配。中等密度非晶冰的发现可能会挑战这一观点。
萨尔茨曼说：“如果中等密度非晶冰真的与液态水有关，那就意味着这个模型是不正确的。”“这可能会开启冰研究的新篇章。”
对于理解其他世界，这也具有意义。我们太阳系中的一些卫星，例如木星的卫星木卫二和土星的卫星土卫二，具有冰冷的表面。如果这样的卫星上的两个冰冷区域由于潮汐力而相互摩擦，它们可能会通过研究人员使用的相同剪切过程在它们之间产生中等密度非晶冰。
密度的增加可能会在表面产生缝隙，从而在卫星上产生破坏，因为冰块会相互碰撞。“冰会发生大规模的坍塌，”萨尔茨曼说。“这可能会对冰卫星的地球物理学产生严重影响。”
反过来，这可能会对这些卫星冰面下液态水海洋的潜在宜居性产生影响。“关于这些卫星的关键问题之一是，你是否可以在液态水和岩石之间有一个界面——生命可能在那里出现，”米洛特说。“非晶冰可能发挥着我们需要理解的作用。”
本文经许可转载，并于 2023 年 2 月 2 日首次发表。