科學家們發現，宇宙中最常見的冰（存在于彗星、衛星和星際塵埃中）內部隱藏著一種結構，這挑戰了數十年來人們的認知。

人們曾認為“非晶”冰是無定形的，但實際上它內部嵌有微小的晶體，每個晶體寬度約與DNA鏈相當。這些晶體可能重塑我們對行星形成、星系間物質運動的理解，甚至挑戰了關于生命構件通過凍結在彗星中來到地球的理論。實驗室實驗和計算機模擬都指向了這種意想不到的有序性，這一發現重新引發了關于冰、水以及生命起源的探討。

發現：太空冰并非完全無序

根據倫敦大學學院（UCL）和劍橋大學科學家的一項新研究，“太空冰”含有微小晶體，并非如先前所假設的那樣像液態水一樣是完全無序的材料。

太空中的冰不同于地球上高度有序的晶體冰。幾十年來，科學家們一直假設它是非晶態（無結構）的，認為其溫度過低，凍結時沒有足夠的能量形成晶體。

在這項發表于《物理評論B》的新研究中，研究人員調查了宇宙中最常見的冰 —— 低密度非晶冰。這種冰是構成彗星主體、冰凍衛星以及恒星和行星形成所在的塵埃云的主要物質。

“非晶冰”中的晶體奧秘

他們發現，如果這種冰并非完全非晶態，而是在其無序結構中嵌入了微小的晶體（約三納米寬，略寬于單鏈DNA），那么其計算機模擬結果就能最好地匹配先前實驗的測量數據。

在實驗工作中，他們還對以不同方式形成的真實非晶冰樣品進行了再結晶（即加熱）。他們發現，最終的晶體結構因非晶冰的起源方式不同而異。研究人員得出結論：如果冰是完全非晶態（完全無序）的，它就不會保留其早期形態的任何印記。

為何這對宇宙至關重要

該研究的首席作者邁克爾·B·戴維斯博士（Dr. Michael B. Davies）在倫敦大學學院物理與天文系和劍橋大學攻讀博士學位期間完成了這項工作。他表示：“我們現在對宇宙中最常見冰在原子層面的樣貌有了很好的了解。”

“這很重要，因為冰參與了許多宇宙學過程，例如行星的形成、星系的演化以及物質在宇宙中的運動。”

這些發現還對關于地球生命起源的一個推測性理論產生了影響。該理論被稱為“泛種論”（Panspermia），認為生命的構件是由冰彗星帶到地球的，而低密度非晶冰則是運輸諸如簡單氨基酸等成分的“宇宙飛船”材料。

晶體與泛種論之謎

戴維斯博士說：“我們的研究結果表明，這種冰作為運輸生命起源分子的材料可能效果較差。這是因為部分結晶的結構中，可供這些成分嵌入的空間較少。”

“不過，該理論仍然可能成立，因為冰中存在非晶區域，生命的構件仍可能被困在其中并儲存起來。”

合著者、倫敦大學學院化學系的克里斯托夫·薩爾茨曼教授（Professor Christoph Salzmann）說：“地球上的冰因其相對溫暖的溫度而成為宇宙學上的奇觀。你可以從雪花的對稱性中看到其有序的本質。”

“宇宙中其他地方的冰長期以來被認為是液態水的快照 —— 即一種被凍結在固定位置的無序排列。我們的發現表明這并不完全正確。”

“我們的結果還引發了對非晶態材料整體的疑問。這些材料在許多先進技術中具有重要用途。例如，用于長距離傳輸數據的玻璃纖維需要是非晶態（即無序）的才能發揮功能。如果它們確實含有微小晶體并且我們能將其去除，這將提高其性能。”

凍結虛擬水：計算機模擬

在這項研究中，研究人員使用了兩種水分子計算機模型。他們通過以不同速率將虛擬的“盒子”中的水分子冷卻至零下120攝氏度來使其凍結。不同的冷卻速率導致了晶體冰和非晶冰的不同比例。

他們發現，晶體比例高達20%（非晶部分為80%）的冰，其結構似乎與X射線衍射研究中發現的低密度非晶冰結構非常匹配（即研究人員向冰發射X射線并分析射線如何偏轉）。

使用另一種方法，他們創建了大型“盒子”，其中許多小冰晶緊密擠壓在一起。然后，模擬使冰晶之間的區域無序化，結果得到了與第一種方法（25%晶體冰）非常相似的結構。

來自真實冰樣的實驗證實

在額外的實驗工作中，研究團隊通過多種方式制造了真實的低密度非晶冰樣品：從將水蒸氣沉積到極冷的表面（模擬星際塵埃云中冰在塵埃顆粒上形成的方式），到加熱所謂的高密度非晶冰（在極冷溫度下被壓碎的冰）。

然后，團隊輕輕加熱這些非晶冰，使其獲得形成晶體的能量。他們注意到冰的結構因其來源不同而存在差異 —— 具體來說，以六重（六方）方式堆疊的分子比例存在差異。

他們說，這是低密度非晶冰含有晶體的間接證據。他們得出結論：如果它是完全無序的，冰就不會保留其早期形態的任何記憶。

關于太空冰：問題多于答案

研究團隊表示，他們的發現引發了關于非晶冰本質的許多額外問題 —— 例如，晶體的大小是否會因非晶冰的形成方式而異，以及是否可能存在真正的非晶冰。

非晶冰于20世紀30年代首次以其低密度形式被發現，當時科學家將水蒸氣冷凝在冷卻至零下110攝氏度的金屬表面上。其高密度狀態于20世紀80年代被發現，當時普通冰在接近零下200攝氏度的溫度下被壓縮。

這項最新論文背后的研究團隊（成員來自倫敦大學學院和劍橋大學）在2023年發現了中密度非晶冰。這種冰被發現具有與液態水相同的密度（因此它在水中既不會下沉也不會漂浮）。

水的奧秘或許就在冰中

合著者、劍橋大學的安杰洛斯·邁克爾里茲教授（Professor Angelos Michaelides）說：“水是生命的基礎，但我們仍未完全理解它。非晶冰可能是解釋水的許多異常現象的關鍵。”

戴維斯博士說：“冰在太空中可能是一種高性能材料。它可以保護航天器免受輻射，或者以氫和氧的形式提供燃料。因此，我們需要了解它的各種形態和特性。”

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