科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙中最常見(jiàn)的冰（存在于彗星、衛(wèi)星和星際塵埃中）內(nèi)部隱藏著一種結(jié)構(gòu)，這挑戰(zhàn)了數(shù)十年來(lái)人們的認(rèn)知。

人們?cè)J(rèn)為“非晶”冰是無(wú)定形的，但實(shí)際上它內(nèi)部嵌有微小的晶體，每個(gè)晶體寬度約與DNA鏈相當(dāng)。這些晶體可能重塑我們對(duì)行星形成、星系間物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的理解，甚至挑戰(zhàn)了關(guān)于生命構(gòu)件通過(guò)凍結(jié)在彗星中來(lái)到地球的理論。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬都指向了這種意想不到的有序性，這一發(fā)現(xiàn)重新引發(fā)了關(guān)于冰、水以及生命起源的探討。

發(fā)現(xiàn)：太空冰并非完全無(wú)序

根據(jù)倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）和劍橋大學(xué)科學(xué)家的一項(xiàng)新研究，“太空冰”含有微小晶體，并非如先前所假設(shè)的那樣像液態(tài)水一樣是完全無(wú)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(lái)，科學(xué)家們一直假設(shè)它是非晶態(tài)（無(wú)結(jié)構(gòu)）的，認(rèn)為其溫度過(guò)低，凍結(jié)時(shí)沒(méi)有足夠的能量形成晶體。

在這項(xiàng)發(fā)表于《物理評(píng)論B》的新研究中，研究人員調(diào)查了宇宙中最常見(jiàn)的冰 —— 低密度非晶冰。這種冰是構(gòu)成彗星主體、冰凍衛(wèi)星以及恒星和行星形成所在的塵埃云的主要物質(zhì)。

“非晶冰”中的晶體奧秘

他們發(fā)現(xiàn)，如果這種冰并非完全非晶態(tài)，而是在其無(wú)序結(jié)構(gòu)中嵌入了微小的晶體（約三納米寬，略寬于單鏈DNA），那么其計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果就能最好地匹配先前實(shí)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)工作中，他們還對(duì)以不同方式形成的真實(shí)非晶冰樣品進(jìn)行了再結(jié)晶（即加熱）。他們發(fā)現(xiàn)，最終的晶體結(jié)構(gòu)因非晶冰的起源方式不同而異。研究人員得出結(jié)論：如果冰是完全非晶態(tài)（完全無(wú)序）的，它就不會(huì)保留其早期形態(tài)的任何印記。

為何這對(duì)宇宙至關(guān)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(xué)學(xué)院物理與天文系和劍橋大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間完成了這項(xiàng)工作。他表示：“我們現(xiàn)在對(duì)宇宙中最常見(jiàn)冰在原子層面的樣貌有了很好的了解。”

“這很重要，因?yàn)楸鶇⑴c了許多宇宙學(xué)過(guò)程，例如行星的形成、星系的演化以及物質(zhì)在宇宙中的運(yùn)動(dòng)。”

這些發(fā)現(xiàn)還對(duì)關(guān)于地球生命起源的一個(gè)推測(cè)性理論產(chǎn)生了影響。該理論被稱為“泛種論”（Panspermia），認(rèn)為生命的構(gòu)件是由冰彗星帶到地球的，而低密度非晶冰則是運(yùn)輸諸如簡(jiǎn)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(shuō)：“我們的研究結(jié)果表明，這種冰作為運(yùn)輸生命起源分子的材料可能效果較差。這是因?yàn)椴糠纸Y(jié)晶的結(jié)構(gòu)中，可供這些成分嵌入的空間較少。”

“不過(guò)，該理論仍然可能成立，因?yàn)楸写嬖诜蔷^(qū)域，生命的構(gòu)件仍可能被困在其中并儲(chǔ)存起來(lái)。”

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

“宇宙中其他地方的冰長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是液態(tài)水的快照 —— 即一種被凍結(jié)在固定位置的無(wú)序排列。我們的發(fā)現(xiàn)表明這并不完全正確。”

“我們的結(jié)果還引發(fā)了對(duì)非晶態(tài)材料整體的疑問(wèn)。這些材料在許多先進(jìn)技術(shù)中具有重要用途。例如，用于長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)的玻璃纖維需要是非晶態(tài)（即無(wú)序）的才能發(fā)揮功能。如果它們確實(shí)含有微小晶體并且我們能將其去除，這將提高其性能。”

凍結(jié)虛擬水：計(jì)算機(jī)模擬

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了兩種水分子計(jì)算機(jī)模型。他們通過(guò)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(lái)使其凍結(jié)。不同的冷卻速率導(dǎo)致了晶體冰和非晶冰的不同比例。

他們發(fā)現(xiàn)，晶體比例高達(dá)20%（非晶部分為80%）的冰，其結(jié)構(gòu)似乎與X射線衍射研究中發(fā)現(xiàn)的低密度非晶冰結(jié)構(gòu)非常匹配（即研究人員向冰發(fā)射X射線并分析射線如何偏轉(zhuǎn)）。

使用另一種方法，他們創(chuàng)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(qū)域無(wú)序化，結(jié)果得到了與第一種方法（25%晶體冰）非常相似的結(jié)構(gòu)。

來(lái)自真實(shí)冰樣的實(shí)驗(yàn)證實(shí)

在額外的實(shí)驗(yàn)工作中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多種方式制造了真實(shí)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(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)因其來(lái)源不同而存在差異 —— 具體來(lái)說(shuō)，以六重（六方）方式堆疊的分子比例存在差異。

他們說(shuō)，這是低密度非晶冰含有晶體的間接證據(jù)。他們得出結(jié)論：如果它是完全無(wú)序的，冰就不會(huì)保留其早期形態(tài)的任何記憶。

關(guān)于太空冰：?jiǎn)栴}多于答案

研究團(tuán)隊(duì)表示，他們的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了關(guān)于非晶冰本質(zhì)的許多額外問(wèn)題 —— 例如，晶體的大小是否會(huì)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(jì)30年代首次以其低密度形式被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)科學(xué)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(tài)于20世紀(jì)80年代被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)普通冰在接近零下200攝氏度的溫度下被壓縮。

這項(xiàng)最新論文背后的研究團(tuán)隊(duì)（成員來(lái)自倫敦大學(xué)學(xué)院和劍橋大學(xué)）在2023年發(fā)現(xiàn)了中密度非晶冰。這種冰被發(fā)現(xiàn)具有與液態(tài)水相同的密度（因此它在水中既不會(huì)下沉也不會(huì)漂浮）。

水的奧秘或許就在冰中

合著者、劍橋大學(xué)的安杰洛斯·邁克爾里茲教授（Professor Angelos Michaelides）說(shuō)：“水是生命的基礎(chǔ)，但我們?nèi)晕赐耆斫馑７蔷П赡苁墙忉屗脑S多異常現(xiàn)象的關(guān)鍵。”

戴維斯博士說(shuō)：“冰在太空中可能是一種高性能材料。它可以保護(hù)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(tài)和特性。”

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