宇宙冰层中隐藏的DNA尺寸晶体或改写水分子认知乃至生命本身

太空中的冰与地球上高度有序的晶体冰不同。数十年来，科学家们一直假设其为无定形态（无结构），认为低温意味着冰在冻结时没有足够能量形成晶体。

在发表于《物理评论B》的新研究中，研究人员探究了宇宙中最常见的冰形态——低密度无定形冰。这种冰作为主体物质存在于彗星、冰卫星以及恒星与行星形成的尘埃云中。

他们发现，当这种冰并非完全无定形，而是在无序结构中嵌有微小晶体（约三纳米宽，略宽于单链DNA）时，其计算机模拟结果与既往实验测量数据最为匹配。

在实验中，他们还对通过不同方式形成的真实无定形冰样本进行了重结晶（即升温）处理。研究发现，最终的晶体结构因无定形冰的原始形成方式而异。研究人员得出结论：若冰曾处于完全无定形态（完全无序），则不会保留其早期形态的任何印记。

第一作者迈克尔·B·戴维斯博士（该研究在其伦敦大学学院物理与天文系及剑桥大学博士期间完成）表示："我们现在从原子层面了解了宇宙中最常见冰形态的结构。"

"这具有重要意义，因为冰参与众多宇宙演化过程，例如行星形成、星系演化以及物质在宇宙中的迁移。"

该发现还对地球生命起源的推测性理论——泛种论具有启示意义。该理论认为生命基石由冰彗星携带至地球，而低密度无定形冰作为航天器材料，运输了简单氨基酸等成分。

戴维斯博士指出："我们的研究表明，这种冰作为生命起源分子的运输材料效能较低。因为部分结晶的结构中可供这些成分嵌入的空间更少。"

"但该理论仍可能成立，因为冰中存在无定形区域，可捕获并存储生命的基本构件。"

合著者、伦敦大学学院化学系克里斯托夫·萨尔茨曼教授表示："地球冰因温暖环境成为宇宙学特例，其有序性体现于雪花的对称结构中。"

"宇宙其他区域的冰长期被视为液态水的快照——即被固定的无序排列。我们的发现表明这种认知并不完全准确。"

"该结果还引发了对广义无定形材料的质疑。这些材料在尖端技术中具有重要应用，例如用于长距离传输数据的玻璃纤维需保持无定形（无序）状态以实现功能。若其中存在微晶并能将其去除，将提升其性能。"

研究中，团队采用两种水分子计算机模型。通过以不同速率将这些虚拟"水分子盒"冷却至零下120摄氏度实现冻结。不同冷却速率导致结晶冰与无定形冰的比例差异。

他们发现：在X射线衍射研究（即向冰发射X射线并分析射线偏折）中，含20%结晶冰（80%无定形冰）的结构与低密度无定形冰高度吻合。

通过另一方法，他们创建了由众多微小冰晶紧密挤压的大型"分子盒"。该模拟使冰晶间区域无序化，最终获得与首种方法中25%结晶冰极为相似的结构。

在补充实验中，研究团队通过多种方式制备真实低密度无定形冰样本：从在超冷表面沉积水蒸气（模拟星际尘埃云中冰的形成），到加热所谓高密度无定形冰（在极低温下被挤压破碎的冰）。

团队随后温和加热这些无定形冰，使其获得结晶能量。他们发现不同来源的冰在结构上存在差异——具体表现为六重（六边形）排列分子的比例变化。

他们认为这是低密度无定形冰含晶体的间接证据。若完全无序，冰将无法保留其原始形态的任何记忆。

研究团队表示，该发现引发诸多关于无定形冰本质的新问题——例如晶体尺寸是否随无定形冰形成方式改变，以及是否存在真正的无定形冰。

低密度无定形冰于1930年代首次被发现：科学家在零下110摄氏度的金属表面冷凝水蒸气时获得。其高密度状态则在1980年代被发现：普通冰在近零下200摄氏度被压缩形成。

由伦敦大学学院和剑桥大学组成的研究团队于2023年发现中密度无定形冰。该冰密度与液态水相同（因此在水体中既不沉也不浮）。

合著者、剑桥大学安杰洛斯·迈克利兹教授表示："水是生命基础，但我们尚未完全理解它。无定形冰或许能解释水的诸多异常特性。"

戴维斯博士强调："冰在太空中可能是高性能材料，可为航天器提供辐射屏蔽，或以氢氧形式提供燃料。因此我们需要了解其多种形态与特性。"