倫敦大學(xué)學(xué)院和劍橋大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新型的冰，它比任何其他已知的冰都更接近液態(tài)水，這可能會(huì)改寫(xiě)我們對(duì)水及其許多異常現(xiàn)象的理解。

新發(fā)現(xiàn)的冰是無(wú)定形的，也就是說(shuō)，它的分子處于雜亂無(wú)章的形式，不像普通的結(jié)晶冰那樣整齊有序。無(wú)定形冰雖然在地球上很少見(jiàn)，但卻是太空中發(fā)現(xiàn)的主要冰類(lèi)型。這是因?yàn)樵谳^冷的太空環(huán)境中，冰沒(méi)有足夠的熱能來(lái)形成晶體。

在這項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的研究中，研究小組使用了一種稱(chēng)為球磨的過(guò)程，在冷卻至-200攝氏度的罐子中劇烈搖晃普通冰和鋼球。

他們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程不是最終得到一小塊普通冰，而是產(chǎn)生了一種新的無(wú)定形形式的冰，與所有其他已知的冰不同，它具有與液態(tài)水相同的密度，其狀態(tài)類(lèi)似于固體形式的水。他們將新冰命名為“中密度無(wú)定形冰”(MDA)。

研究小組認(rèn)為，MDA(看起來(lái)像細(xì)小的白色粉末)可能存在于外太陽(yáng)系的冰衛(wèi)星內(nèi)，因?yàn)閬?lái)自木星和土星等氣態(tài)巨行星的潮汐力可能會(huì)在普通冰上施加與球磨產(chǎn)生的剪切力相似的剪切力。此外，研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MDA升溫并重新結(jié)晶時(shí)，它會(huì)釋放出大量的熱量，這意味著它可以在木衛(wèi)三等衛(wèi)星上數(shù)千公里厚的冰層中引發(fā)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和“冰震”。

資深作者Christoph Salzmann教授(UCL化學(xué))說(shuō)：“水是所有生命的基礎(chǔ)。我們的存在取決于它，我們發(fā)射太空任務(wù)尋找它，但從科學(xué)的角度來(lái)看，人們對(duì)它知之甚少。

“我們知道有20種結(jié)晶形式的冰，但以前只發(fā)現(xiàn)了兩種主要類(lèi)型的非晶冰，稱(chēng)為高密度和低密度無(wú)定形冰。它們之間存在巨大的密度差距，公認(rèn)的觀點(diǎn)是，在該密度差距內(nèi)不存在冰。我們的研究表明，MDA的密度恰好在這個(gè)密度差距內(nèi)，這一發(fā)現(xiàn)可能對(duì)我們對(duì)液態(tài)水及其許多異?，F(xiàn)象的理解產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

已知的無(wú)定形冰之間的密度差距使科學(xué)家認(rèn)為水實(shí)際上在非常冷的溫度下以?xún)煞N液體的形式存在，理論上，在一定溫度下，這兩種液體可以共存，一種類(lèi)型漂浮在另一種之上，就像混合油和水一樣。這一假設(shè)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)模擬中得到證實(shí)，但尚未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。研究人員說(shuō)，他們的新研究可能會(huì)對(duì)這一想法的有效性提出質(zhì)疑。

薩爾茲曼教授說(shuō)：“現(xiàn)有的水模型應(yīng)該重新測(cè)試。他們需要能夠解釋中密度無(wú)定形冰的存在。這可能是最終解釋液態(tài)水的起點(diǎn)。

研究人員提出，新發(fā)現(xiàn)的冰可能是液態(tài)水的真正玻璃狀狀態(tài)，即固體形式的液態(tài)水的精確復(fù)制品，就像窗戶(hù)中的玻璃是液態(tài)二氧化硅的固體形式一樣。然而，另一種情況是MDA根本不是玻璃狀的，而是處于嚴(yán)重剪切的結(jié)晶狀態(tài)。

共同作者Andrea Sella教授(UCL化學(xué))說(shuō)：“我們已經(jīng)證明有可能創(chuàng)造出看起來(lái)像定格動(dòng)畫(huà)的水。這是一個(gè)意想不到的、相當(dāng)驚人的發(fā)現(xiàn)。

主要作者Alexander Rosu-Finsen博士在UCL化學(xué)學(xué)院進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)工作，他說(shuō)：“我們瘋狂地?fù)u晃了冰很長(zhǎng)時(shí)間，破壞了晶體結(jié)構(gòu)。我們沒(méi)有最終得到更小的冰塊，而是意識(shí)到我們想出了一種全新的東西，具有一些非凡的特性。

通過(guò)對(duì)結(jié)晶冰的重復(fù)隨機(jī)剪切來(lái)模擬球磨過(guò)程，該團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了MDA的計(jì)算模型。Michael Davies博士在UCL和劍橋大學(xué)的ICE(界面，催化和環(huán)境)實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位時(shí)進(jìn)行了計(jì)算建模，他說(shuō)：“我們對(duì)MDA的發(fā)現(xiàn)提出了許多關(guān)于液態(tài)水性質(zhì)的問(wèn)題，因此了解MDA的精確原子結(jié)構(gòu)非常重要。

水有許多異?，F(xiàn)象，長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著科學(xué)家。例如，水在4攝氏度時(shí)密度最高，并且在結(jié)冰時(shí)密度降低(因此冰漂浮)。此外，你擠壓液態(tài)水的次數(shù)越多，它就越容易壓縮，偏離了大多數(shù)其他物質(zhì)的原則。

無(wú)定形冰最早是在1930年代以低密度形式發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)科學(xué)家將水蒸氣凝結(jié)在冷卻至-110攝氏度的金屬表面上。它的高密度狀態(tài)是在1980年代發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)普通冰被壓縮在近-200攝氏度。雖然在太空中很常見(jiàn)，但在地球上，無(wú)定形冰被認(rèn)為只發(fā)生在寒冷的大氣上游。

球磨是一種用于多個(gè)行業(yè)研磨或混合材料的技術(shù)，但以前從未應(yīng)用于冰。在這項(xiàng)研究中，液氮用于將研磨罐冷卻至-200攝氏度，并且球磨冰的密度由其在液氮中的浮力確定。研究人員使用許多其他技術(shù)來(lái)分析MDA的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，包括倫敦大學(xué)學(xué)院化學(xué)的X射線(xiàn)衍射(觀察從冰反射的X射線(xiàn)的模式)和拉曼光譜(觀察冰如何散射光)以及倫敦大學(xué)學(xué)院自然啟發(fā)工程中心的小角衍射，以探索其長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)。他們還使用UCL Kathleen高性能計(jì)算設(shè)施在計(jì)算機(jī)模擬中成功復(fù)制了生產(chǎn)中密度冰的過(guò)程。

此外，他們使用量熱法來(lái)研究中密度冰在較高溫度下重結(jié)晶時(shí)釋放的熱量。他們發(fā)現(xiàn)，如果他們壓縮MDA，然后加熱它，它在重結(jié)晶時(shí)釋放出驚人的大量能量，表明H2O可以是一種高能地球物理物質(zhì)，可以驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)系冰衛(wèi)星中的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。