水的多重樣貌

水被賦予了眾多稱號——生命的載體、通用的溶劑、強效的腐蝕劑，以及最奇特的液體……水之所以擁有如此多樣的別名，源于水擁有超過70種令人驚奇的異常性質，而這些異常也深刻影響了地球的形成與演化。

盡管對水的研究可以追溯至古代，但人類至今仍未能徹底揭示其本質。水能夠以多種物理狀態存在，尤其是在固態中，科學家已經在實驗室中成功合成了20種不同的晶體結構。

在宇宙中，最常見的水的存在形式是低密度無定形冰（LDA），它廣泛存在于彗星的核心、冰冷的衛星以及形成恒星和行星的分子云中。LDA之所以備受科學家關注，一方面是因為它可能參與了包括生命起源在內的多種宇宙過程，另一方面，它可能是解釋水諸多異常性質的關鍵。

然而，自90年前首次發現以來，關于LDA在原子尺度上的結構到底是完全無序還是部分有序，一直存在爭議。

如今，在一項新發表于《物理評論B》的研究中，一個研究團隊通過數值模擬與實驗研究表明：LDA并非像此前普遍認為的那樣，是一種如液態水般完全無序的物質，而是一種其內部含有納米級晶體的部分結晶的物質。

數值模擬與“記憶效應”

在模擬中，研究人員從300K（約27°C）的液態水開始，以不同的冷卻速率將其降溫至125K（約-148°C）。得到了在結構上有所差異的冰：有的是完全結晶的，有的則是在無定形基底中嵌有結晶顆粒。

為了判斷哪種模擬結構與實驗中制得的LDA最相符，研究人員計算了這些模擬冰的X射線衍射圖譜，并與已有的實測數據進行比對。結果發現：含有約3納米寬的納米晶體、結晶度在16%–19%之間的冰，與此前的實驗數據最為吻合。這說明，真實的LDA并非完全無定形，而是一種“部分結晶”物質。

除了模擬，研究團隊還使用多種不同的方式制備了不同的LDA樣本。隨后，他們將這些樣本緩慢加熱至0°C，以觀察樣本轉變為結晶冰的過程。結果發現，最終形成的結晶冰結構，會因初始形成路徑不同而有所差異。

具體來說，LDA在轉變為結晶冰時，呈現出不完全均勻的晶體結構——這說明它們“記得”自己是如何形成的。如果LDA是完全無定形的，那么這種“記憶效應”將不復存在，這進一步表明LDA冰內部確實存在晶體區域。

對生命起源假說的啟示

這項研究也對“有生源說”（Panspermia，亦稱“胚種論”）理論帶來新的啟示。該理論認為，生命的基本構件可能是由彗星攜帶至地球的，低密度無定形冰則扮演了“太空穿梭機”的角色，運輸其中的氨基酸等有機物。

而新的研究表明，部分結晶結構的冰在作為生命起源分子的運輸載體方面，可能不如想象中高效。這是因為其內部結構更致密，可容納分子的空間更少。盡管如此，該理論依然成立，因為即使是部分結晶的冰，其內部仍保有一定比例的無定形區域，這些區域可以捕獲并儲存生命的構件。

真正“無定形”的冰，可能存在嗎？

研究人員表示，這一成果不僅重新定義了LDA的結構特征，也引發了一個更根本性的問題——是否真的存在完全無定形的冰？因此接下來，研究人員的研究目標之一就是要搞清楚：在實驗或自然條件下，是否有可能制造出真正無序、無晶體成分的冰，并進一步厘清這種物質與液態水之間的聯系。

#參考來源：

https://www.ch.cam.ac.uk/news/%E2%80%98space-ice%E2%80%99-less-water-we-thought

https://physics.aps.org/articles/v18/s86

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.112.024203

#圖片來源：

封面圖&首圖：M. Davies/University College London