科学家制造了一种可能存在于遥远卫星上的新型冰

科学家们创造了一种与水的密度和结构相匹配的新型冰，这可能为研究水的神秘性质打开了一扇门。

伦敦南岸大学(London South Bank University)的水结构专家马丁·卓别林(Martin Chaplin)说:“这可能是液态水被及时冻结了。”他没有参与这项研究。“这可能非常重要。”

这种冰被称为中密度无定形冰。由伦敦大学学院的Alexander Rosu-Finsen领导的团队，在零下200℃的温度下，在一个装有厘米宽不锈钢球的小容器中摇动普通冰，生产出了这种从未见过的变种。冰呈现出白色颗粒状粉末，粘在金属球上。研究结果发表在今天的科学¹．

偶然的分子

通常，当水结冰时，它会结晶，分子排列成我们熟悉的六角形固体结构，我们称之为冰。冰的密度小于液态，这对于晶体来说是不寻常的特性。根据压力和结冰速度等条件，水也可以在24种其他常规安排中的任何一种凝固。无定形冰则不同:它没有这样的顺序。卓别林说:“有很多分子随意地结合在一起。

在二十世纪，人们已经发现了两种无定形冰。“低密度”无定形冰是水蒸气在低于-150˚C的温度下冻结在极冷表面的结果;“高密度”无定形冰是在高压下，在类似温度下压缩普通冰而形成的。虽然这两种类型在地球上都不常见，但在太空中却很常见。“彗星是一大块低密度的无定形冰，”伦敦大学学院的化学家Christoph Salzmann说，他是这项最新研究的合著者。

该团队使用球磨机来磨碎结晶冰，球磨机是一种在矿物加工中通常用于研磨或混合材料的工具。他们使用一个内部装有金属球的容器，每秒摇晃少量冰约20次。萨尔兹曼说，金属球对冰产生了“剪切力”，把冰分解成白色粉末。

向粉末发射x射线，并测量它们反弹的情况——这一过程被称为x射线衍射——使研究小组能够弄清它的结构。这种冰的分子密度与液态水相似，但分子没有明显的有序结构——这意味着结晶度被“破坏”了，萨尔兹曼说。“你看到的是一种非常无序的材料。”

加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家马略·米洛说，研究结果“相当有说服力”。“这是一个很好的例子，说明我们对水还有很多东西需要了解。”

研究结果与英国剑桥大学科学家团队的模型相吻合，模型预测了如果普通冰以这种方式分解会发生什么。然而，目前还不清楚这种合成的粉末是否真的符合液态水的性质，因为它之前是以结晶冰的形式冻结的。对此的调查需要进一步的工作。

重大的影响

如果得到证实，这种新形式的冰可以以一种以前不可能的方式对水进行研究。“液态水是一种奇怪的物质，”卓别林说。“我们对它的了解仍然没有我们想要的那么多。”例如，人们通常认为水由两种形式组成，低密度水和高密度水，与之前已知的无定形冰的变体相匹配。中密度无定形冰的发现可能会挑战这一观点。

萨尔兹曼说:“如果中密度无定形冰真的与液态水相连，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。”

这对理解其他世界也有启示。我们太阳系中的一些卫星，如木星的卫星欧罗巴和土星的卫星土卫二，表面都是结冰的。如果这样一个卫星上的两个冰区由于潮汐力而摩擦在一起，它们可以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的无定形冰。

密度的增加可能会在月球表面产生裂缝，当冰破裂在一起时，对卫星产生破坏。萨尔兹曼说:“冰层将会大规模崩塌。”“这可能会对冰冷卫星的地球物理产生严重影响。”

反过来，这可能会对这些卫星冰表面下的液态水海洋的潜在宜居性产生影响。米洛特说:“关于这些卫星的一个关键问题是，液态水和岩石之间是否有界面——这是生命可能出现的地方。”“非晶冰可能有一个我们需要了解的角色。”