宇宙冰中隐藏的DNA尺寸晶体可能改写水——乃至生命本身的定义

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非晶态（无固定结构），认为极低温度下冰分子缺乏足够能量形成晶体结构。

这项发表于《物理评论B》的新研究中，研究人员探究了宇宙中最常见的低密度非晶冰——这种物质大量存在于彗星、冰卫星以及恒星行星形成的尘埃云中。

他们发现，当计算机模拟的冰结构包含嵌入无序体系中的微型晶体（约3纳米宽，略大于单链DNA宽度）而非完全非晶态时，能最精确匹配先前实验的测量数据。

在实验环节，研究者对通过不同方式形成的非晶冰真实样本进行再结晶（即加热）。结果表明最终晶体结构因非晶冰形成方式而异。研究人员推断，若冰体完全呈非晶态（完全无序），将不会保留任何原始形态特征。

论文第一作者Michael B. Davies博士（该研究系其在伦敦大学学院物理与天文系及剑桥大学攻读博士学位期间完成）表示："我们现在从原子层面了解了宇宙中最常见冰形态的具体结构。"

"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、星系演化以及宇宙物质迁移。"

该发现还对地球生命起源的假说之一——"有生源说"提出新见解。该理论认为生命基本构件由冰彗星携带至地球，低密度非晶冰作为航天器材料运输了简单氨基酸等成分。

Davies博士指出："我们的研究表明这种冰作为生命起源分子运输载体的效率可能降低，因为部分结晶结构留给这些成分的嵌入空间更少。"

"但该理论仍可能成立，因为冰体中存在非晶区域可捕获并存储生命构建模块。"

合著者、伦敦大学学院化学系Christoph Salzmann教授表示："地球冰因温度较高成为宇宙学特例，其有序性体现于雪花的对称结构中。"

"长久以来，宇宙其他区域的冰被视为液态水的快照——即被固定的无序排列。我们的研究证明这种认知并不完全准确。"

"这些发现还引发了对非晶材料的普遍思考。这类材料在尖端技术中具有重要应用，例如远距离传输数据的玻璃纤维必须保持非晶态才能正常运作。若其中存在微晶并能去除，将显著提升其性能。"

研究中，团队采用两种水分子计算机模型。通过以不同速率将虚拟"水分子盒"冷却至-120℃，获得不同比例的晶态与非晶态冰。

他们发现含20%晶态（80%非晶态）的冰，其结构与X射线衍射研究中发现的低密度非晶冰高度吻合（即用X射线照射冰体并分析射线偏折的实验方法）。

通过另一种方法，研究人员创建了多个微小冰晶紧密堆积的大型"分子盒"。模拟显示冰晶间无序区域的结构与第一种方法中25%晶态冰极为相似。

在补充实验中，团队通过多种途径制备真实低密度非晶冰样本：从在超冷表面沉积水蒸气（模拟星际尘埃云中冰的形成），到加热高密度非晶冰（极低温下受压碎的冰）。

当团队温和加热这些非晶冰促使其结晶时，发现不同来源的冰体结构存在差异——具体表现为六方（六重）排列的分子比例变化。

研究人员称，这间接证明低密度非晶冰含有晶体。他们得出结论：若完全无序，冰体将不会保留任何原始形态记忆。

研究团队表示，这些发现引发关于非晶冰本质的诸多新问题，例如晶体尺寸是否随形成方式变化，以及是否存在绝对的非晶冰。

低密度非晶冰于1930年代首次被发现，当时科学家在-110℃金属表面冷凝水蒸气。其高密度状态则于1980年代通过近-200℃压缩普通冰获得。

由伦敦大学学院和剑桥大学组成的团队在2023年发现中密度非晶冰，其密度与液态水相同（因此在水中既不下沉也不上浮）。

剑桥大学合著者Angelos Michaelides教授指出："水是生命之源，但我们仍未完全理解它。非晶冰或许能解释水的诸多异常特性。"

Davies博士补充说："冰在太空中可能是高性能材料，可作航天器辐射屏蔽层，或分解为氢氧燃料。因此我们必须了解其各种形态与特性。"