根据最新研究，宇宙中普遍存在的低密度无定形冰（Low-Density Amorphous Ice, LDA）并非完全无序状态，而是包含纳米级晶体结构的混合材料。这一发现对理解冰在宇宙中的作用及材料科学领域具有深远意义。结合实验与计算机模拟，研究人员揭示了以下关键科学结论： ### 一、结构与形成机制 1. **纳米级晶体嵌入无序基质** LDA冰中约20%的成分为直径约3纳米的微小晶体（略宽于DNA单链），其余为无序网络。这一结论通过两种计算机模型验证：快速冷却模拟显示晶体比例随冷却速率变化，而“挤压晶格”模型则通过晶界无序化复现了类似结构。X射线衍射结果表明，这种混合结构与实验数据匹配度更高。 2. **形成路径影响最终结构** 实验发现，不同形成方式（如气相沉积或高压冰相变）的LDA冰在再结晶后呈现不同的六方/立方堆积比例，表明原始结构存在记忆效应。例如，通过压缩高密度无定形冰（HDA）生成的LDA冰保留更多晶格特征。 ### 二、宇宙学意义 1. **行星形成与物质迁移** LDA冰作为彗星、外太阳系卫星和星际尘埃云的主要成分，其部分结晶特性可能影响冰的机械强度与吸附能力。例如纳米晶体区域可能成为尘埃颗粒凝聚的优先位点，促进行星系统形成。 2. **生命起源假说再评估** 泛种论（Panspermia）认为LDA冰可作为生命前体分子的运输载体。研究显示结晶区域减少分子嵌入空间，但无序区域仍能有效捕获氨基酸等物质。这要求重新评估星际冰对有机分子保存的有效性。 ### 三、技术应用启示 1. **新型材料开发** 研究发现无定形材料中的微晶体会显著改变物理性质（如透光率与热导率）。例如，光纤通信中若消除玻璃纤维内的纳米晶体，可进一步提升信号传输效率。 2. **航天工程潜力** 部分结晶冰可能具备更高辐射屏蔽效能，其氢氧释放特性也为深空燃料制备提供新思路。需进一步研究微结构对冰层稳定性的影响。 ### 四、未解科学问题 该研究引发三个核心争议： - 是否存在完全无定形冰？现有实验表明所有"无定形"样品均含纳米晶体残留 - 晶体尺寸是否与形成动力学相关？模拟显示冷却速率影响晶体比例，但具体调控机制尚不明确 - 宇宙中冰的结构多样性是否超出预期？2023年发现的中密度无定形冰提示可能存在更复杂的相变路径 ### 五、方法论突破 研究团队创新性地结合两种互补方法： 1. **多尺度分子动力学模拟** 采用TIP4P/2005和MB-pol两种水模型，在-120°C下模拟不同冷却速率对冰结构的影响，首次实现纳米晶体比例的定量预测。 2. **原位再结晶实验** 通过控制升温速率（0.5-5 K/min）追踪结构演化，利用拉曼光谱与差示扫描量热法揭示记忆效应的温度阈值。 这项研究不仅改写了宇宙冰的基础认知，也为地球外物质探索、先进材料设计提供了新视角。未来需通过深空探测器（如欧罗巴快船）的直接采样验证理论模型。
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Journal Reference:
Michael Benedict Davies, Alexander Rosu-Finsen, Christoph G. Salzmann, Angelos Michaelides.Low-density amorphous ice contains crystalline ice grains.Physical Review B, 2025; 112 (2) DOI:10.1103/PhysRevB.112.024203
