科学家们发现，宇宙中最常见的冰（存在于彗星、卫星和星际尘埃中）内部隐藏着一种结构，这挑战了数十年来人们的认知。

人们曾认为“非晶”冰是无定形的，但实际上它内部嵌有微小的晶体，每个晶体宽度约与DNA链相当。这些晶体可能重塑我们对行星形成、星系间物质运动的理解，甚至挑战了关于生命构件通过冻结在彗星中来到地球的理论。实验室实验和计算机模拟都指向了这种意想不到的有序性，这一发现重新引发了关于冰、水以及生命起源的探讨。

发现：太空冰并非完全无序

根据伦敦大学学院（UCL）和剑桥大学科学家的一项新研究，“太空冰”含有微小晶体，并非如先前所假设的那样像液态水一样是完全无序的材料。

太空中的冰不同于地球上高度有序的晶体冰。几十年来，科学家们一直假设它是非晶态（无结构）的，认为其温度过低，冻结时没有足够的能量形成晶体。

在这项发表于《物理评论B》的新研究中，研究人员调查了宇宙中最常见的冰 —— 低密度非晶冰。这种冰是构成彗星主体、冰冻卫星以及恒星和行星形成所在的尘埃云的主要物质。

“非晶冰”中的晶体奥秘

他们发现，如果这种冰并非完全非晶态，而是在其无序结构中嵌入了微小的晶体（约三纳米宽，略宽于单链DNA），那么其计算机模拟结果就能最好地匹配先前实验的测量数据。

在实验工作中，他们还对以不同方式形成的真实非晶冰样品进行了再结晶（即加热）。他们发现，最终的晶体结构因非晶冰的起源方式不同而异。研究人员得出结论：如果冰是完全非晶态（完全无序）的，它就不会保留其早期形态的任何印记。

为何这对宇宙至关重要

该研究的首席作者迈克尔·B·戴维斯博士（Dr. Michael B. Davies）在伦敦大学学院物理与天文系和剑桥大学攻读博士学位期间完成了这项工作。他表示：“我们现在对宇宙中最常见冰在原子层面的样貌有了很好的了解。”

“这很重要，因为冰参与了许多宇宙学过程，例如行星的形成、星系的演化以及物质在宇宙中的运动。”

这些发现还对关于地球生命起源的一个推测性理论产生了影响。该理论被称为“泛种论”（Panspermia），认为生命的构件是由冰彗星带到地球的，而低密度非晶冰则是运输诸如简单氨基酸等成分的“宇宙飞船”材料。

晶体与泛种论之谜

戴维斯博士说：“我们的研究结果表明，这种冰作为运输生命起源分子的材料可能效果较差。这是因为部分结晶的结构中，可供这些成分嵌入的空间较少。”

“不过，该理论仍然可能成立，因为冰中存在非晶区域，生命的构件仍可能被困在其中并储存起来。”

合著者、伦敦大学学院化学系的克里斯托夫·萨尔茨曼教授（Professor Christoph Salzmann）说：“地球上的冰因其相对温暖的温度而成为宇宙学上的奇观。你可以从雪花的对称性中看到其有序的本质。”

“宇宙中其他地方的冰长期以来被认为是液态水的快照 —— 即一种被冻结在固定位置的无序排列。我们的发现表明这并不完全正确。”

“我们的结果还引发了对非晶态材料整体的疑问。这些材料在许多先进技术中具有重要用途。例如，用于长距离传输数据的玻璃纤维需要是非晶态（即无序）的才能发挥功能。如果它们确实含有微小晶体并且我们能将其去除，这将提高其性能。”

冻结虚拟水：计算机模拟

在这项研究中，研究人员使用了两种水分子计算机模型。他们通过以不同速率将虚拟的“盒子”中的水分子冷却至零下120摄氏度来使其冻结。不同的冷却速率导致了晶体冰和非晶冰的不同比例。

他们发现，晶体比例高达20%（非晶部分为80%）的冰，其结构似乎与X射线衍射研究中发现的低密度非晶冰结构非常匹配（即研究人员向冰发射X射线并分析射线如何偏转）。

使用另一种方法，他们创建了大型“盒子”，其中许多小冰晶紧密挤压在一起。然后，模拟使冰晶之间的区域无序化，结果得到了与第一种方法（25%晶体冰）非常相似的结构。

来自真实冰样的实验证实

在额外的实验工作中，研究团队通过多种方式制造了真实的低密度非晶冰样品：从将水蒸气沉积到极冷的表面（模拟星际尘埃云中冰在尘埃颗粒上形成的方式），到加热所谓的高密度非晶冰（在极冷温度下被压碎的冰）。

然后，团队轻轻加热这些非晶冰，使其获得形成晶体的能量。他们注意到冰的结构因其来源不同而存在差异 —— 具体来说，以六重（六方）方式堆叠的分子比例存在差异。

他们说，这是低密度非晶冰含有晶体的间接证据。他们得出结论：如果它是完全无序的，冰就不会保留其早期形态的任何记忆。

关于太空冰：问题多于答案

研究团队表示，他们的发现引发了关于非晶冰本质的许多额外问题 —— 例如，晶体的大小是否会因非晶冰的形成方式而异，以及是否可能存在真正的非晶冰。

非晶冰于20世纪30年代首次以其低密度形式被发现，当时科学家将水蒸气冷凝在冷却至零下110摄氏度的金属表面上。其高密度状态于20世纪80年代被发现，当时普通冰在接近零下200摄氏度的温度下被压缩。

这项最新论文背后的研究团队（成员来自伦敦大学学院和剑桥大学）在2023年发现了中密度非晶冰。这种冰被发现具有与液态水相同的密度（因此它在水中既不会下沉也不会漂浮）。

水的奥秘或许就在冰中

合著者、剑桥大学的安杰洛斯·迈克尔里兹教授（Professor Angelos Michaelides）说：“水是生命的基础，但我们仍未完全理解它。非晶冰可能是解释水的许多异常现象的关键。”

戴维斯博士说：“冰在太空中可能是一种高性能材料。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。因此，我们需要了解它的各种形态和特性。”

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