" class="wp-auto-featured-image wp-post-image" alt="新研究揭示：星际无定形冰中含有微小晶体" decoding="async" loading="lazy" srcset=" 710w, 300w" sizes="auto, (max-width: 710px) 100vw, 710px" />
低密度无定形冰是宇宙中最常见的固体物质之一，也是理解液态水诸多著名反常现象的关键物质。尽管它意义重大且在近90年前就已被发现，但其结构仍存在争议。在一项新研究中，来自英国伦敦大学学院和剑桥大学的研究人员发现，如果低密度无定形冰并非完全无定形，而是在无序结构中包含约3纳米宽（略宽于单链DNA）的微小晶体，那么其计算机模拟结果与此前实验测量最为匹配。在一项实验工作中，他们还对以不同方式形成的无定形冰真实样本进行再结晶（即加热）。他们发现，最终的晶体结构会因无定形冰的形成方式而异。研究人员得出结论，如果冰完全无定形（完全无序），它就不会保留其早期形态的任何印记。
“我们现在对宇宙中最常见的冰在原子层面的样子有了清晰的认识，”伦敦大学学院和剑桥大学的研究员迈克尔·戴维斯博士说。“这很重要，因为冰参与了许多宇宙学过程，例如行星如何形成、星系如何演化以及物质在宇宙中如何移动。”
为进行这项研究，戴维斯博士及其同事使用了两种水的计算机模型。他们通过以不同速率冷却至零下120摄氏度（零下184华氏度），使这些虚拟的水分子“盒子”冻结。不同的冷却速率导致结晶冰和无定形冰的比例不同。研究人员发现，结晶度高达20%（无定形度为80%）的冰，其结构似乎与X射线衍射研究中发现的低密度无定形冰结构非常匹配（即研究人员向冰发射X射线并分析这些射线的偏转情况）。
他们采用另一种方法，创建了许多小冰晶紧密挤压在一起的大“盒子”。模拟随后使冰晶之间的区域无序化，与第一种结晶度为25%的冰的方法相比，得到了非常相似的结构。
在额外的实验工作中，科学家们以多种方式制备了低密度无定形冰的真实样本，从将水蒸气沉积到极冷表面（星际云中尘埃颗粒上冰的形成方式）到加热所谓的高密度无定形冰（在极冷温度下被挤压的冰）。然后他们轻轻加热这些无定形冰，使其有能量形成晶体。他们注意到冰的结构因来源而异，具体而言，以六重（六边形）排列堆叠的分子比例存在差异。这是低密度无定形冰含有晶体的间接证据。如果它完全无序，冰就不会保留其早期形态的任何记忆。
这些发现引发了许多关于无定形冰性质的额外问题，例如，晶体的大小是否会因无定形冰的形成方式而变化，以及真正无定形的冰是否可能存在。“水是生命的基础，但我们仍未完全理解它，”剑桥大学的安杰洛斯·米凯拉ides教授说。“无定形冰可能是解释水诸多反常现象的关键。”
“冰在太空中可能是一种高性能材料，”戴维斯博士说。“它可以保护航天器免受辐射，或者以氢和氧的形式提供燃料。所以我们需要了解它的各种形态和性质。”这些发现也对一种关于地球生命起源的推测性理论有影响。根据这种被称为泛种论的理论，生命的基石是由冰彗星带到地球的，低密度无定形冰作为太空运输材料，其中运输了简单氨基酸等成分。
“我们的发现表明，这种冰对于这些生命起源分子来说，可能不是一种很好的运输材料，”戴维斯博士说。“这是因为部分结晶结构中可供这些成分嵌入的空间较少。不过，该理论仍有可能成立，因为冰中存在无定形区域，生命的基石可以被困在其中并储存起来。”
“由于地球温度较高，地球上的冰在宇宙学中是一种奇特现象，”伦敦大学学院的克里斯托夫·萨尔兹曼教授说。“你可以在雪花的对称性中看到它的有序性。宇宙其他地方的冰长期以来被认为是液态水的快照，即固定在某处的无序排列。我们的发现表明并非完全如此。我们的结果也引发了关于一般无定形材料的问题。”
“这些材料在许多先进技术中有重要用途。例如，长距离传输数据的玻璃纤维为了发挥其功能需要是无定形或无序的。如果它们确实含有微小晶体且我们能够去除，这将提高它们的性能。” 一篇关于这些发现的论文今天发表在《物理评论B》杂志上。