宇宙冰晶中潜藏的DNA尺度晶体，可改写水及生命本身的定义

宇宙中的冰与地球上高度有序的晶体冰不同。几十年来，科学家们一直假设其为无定形冰（无结构），认为低温意味着冻结时缺乏形成晶体的足够能量。

在这项发表于《物理评论B》的新研究中，研究人员探究了宇宙中最常见的冰形态——低密度无定形冰。这种冰是彗星、冰卫星以及恒星与行星形成的尘埃云中的主体物质。

他们发现，若该冰并非完全无定形，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），则其计算机模拟结果最符合先前实验的测量数据。

在实验工作中，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（即加热）。他们发现最终的晶体结构因无定形冰的原始形成方式而异。研究人员推断，若冰体完全呈无定形态（完全无序），则不会保留其原始形态的任何印记。

第一作者Michael B. Davies博士（该研究为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："我们现在对宇宙中最常见冰形态的原子级结构有了清晰认知。

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

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。该理论认为生命基本构件由冰彗星携带至地球，而低密度无定形冰正是运输简单氨基酸等成分的宇宙飞船材料。

Davies博士指出："我们的研究结果表明，这种冰作为生命起源分子的运输材料效能较低。这是因为部分结晶结构中可供嵌入这些成分的空间更少。

"但该理论仍可能成立，因为冰体中存在无定形区域，生命基本构件可被捕获并储存其中。"

合著者、伦敦大学学院化学系Christoph Salzmann教授表示："地球冰因温暖环境成为宇宙学特例。通过雪花的对称性即可观察其有序特性。

"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。我们的研究证明事实并非完全如此。

"结果还引发了对无定形材料的普遍质疑。这类材料在诸多尖端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，则可提升其性能。"

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"冷却至零下120摄氏度实现冻结。不同冷却速率导致晶体冰与无定形冰的比例差异。

他们发现，含20%晶体（80%无定形）的冰体结构，与X射线衍射研究中发现的低密度无定形冰结构高度吻合（即研究者用X射线轰击冰体并分析射线偏折模式）。

运用另一种方法，他们构建了多个微小冰晶紧密挤压的大型"分子盒"。模拟过程使冰晶间区域无序化，最终获得与第一种方法（含25%晶体冰）高度相似的结构。

在补充实验中，团队通过多种途径制备真实低密度无定形冰样本：从在极冷表面沉积水蒸气（模拟星际尘埃云中冰的形成），到加热高密度无定形冰（指在超低温下被压碎的冰体）。

随后对无定形冰进行温和加热，使其获得形成晶体的能量。团队观察到冰体结构因来源不同存在差异——具体表现为六边形堆叠分子比例的差异。

他们认为这是低密度无定形冰含晶体的间接证据。研究结论指出：若冰体完全无序，则不会保留原始形态的任何记忆。

团队表示该发现引发诸多关于无定形冰本质的新问题——例如晶体尺寸是否因形成方式而异，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：科学家将水蒸气凝聚在零下110摄氏度的金属表面。其高密度状态于1980年代被发现：普通冰在近零下200摄氏度被压缩。

由伦敦大学学院和剑桥大学组成的最新研究团队于2023年发现中密度无定形冰。该冰密度与液态水相同（因此既不下沉也不上浮）。

合著者、剑桥大学Angelos Michaelides教授表示："水是生命之源，但我们仍未完全理解它。无定形冰或许能解释水的诸多异常特性。"

Davies博士指出："冰在太空中可能是高性能材料。可作航天器辐射屏蔽层，或以氢氧形式提供燃料。因此我们需要掌握其各种形态与特性。"