根据最新研究，宇宙中普遍存在的低密度非晶冰（LDA）可能并非完全无序结构，而是包含纳米尺度（约3 nm）的晶态区域。这一发现挑战了传统上对星际冰"完全无序"模型的认知，并通过模拟与实验揭示了以下几点关键进展： --- ### 一、非晶冰的原子级结构新认识 1. **微晶与无序的复合结构** 计算机模拟表明，低密度非晶冰中约20%-25%的区域呈现微晶态，其尺寸接近DNA链宽度（约3 nm）。这种复合结构与X射线衍射实验数据高度吻合，暗示星际冰可能保留了部分液态水的短程有序特征。 2. **结晶过程的历史依赖性** 实验发现，不同方式制备的非晶冰（如蒸气沉积或压缩HDA冰）在再结晶时显示出结构差异。例如，通过升温高密度非晶冰（HDA）生成的晶体中，约15%的分子呈现六方堆叠（类似地球冰Ih），而蒸气沉积冰的六方堆叠比例更高。这表明非晶冰的起源会影响其后续相变行为。 --- ### 二、对宇宙学过程的潜在影响 1. **行星形成与物质输运** 冰作为彗星和行星际尘埃的主要成分，其结构直接影响吸积效率。微晶结构可能通过局部密度差异改变冰的机械性能，进而影响天体碰撞动力学和行星内核形成过程。 2. **生命起源假说的再评估** 若星际冰中存在晶态区域，其分子嵌入能力可能弱于完全非晶态。这对"泛种论"（Panspermia）提出挑战，因为生命前分子（如氨基酸）的保存空间可能受限。不过非晶区域仍可作为有效载体。 --- ### 三、技术应用与材料科学启示 1. **非晶材料的性能优化** 类似玻璃光纤等非晶材料中若存在纳米晶，可能影响其光学特性。研究提出的结构调控方法（如压力梯度冷却）为消除微晶缺陷提供了新思路。 2. **极端环境材料设计** 研究团队2023年发现的中密度非晶冰（MDA）密度接近液态水，这类冰在航天器辐射屏蔽或燃料储存（水解制氢氧）中具有潜在应用价值。 --- ### 四、未解问题与未来方向 - **微晶尺寸与形成机制**：不同星际环境（如恒星形成区与彗星表面）是否导致微晶尺寸分布差异？ - **真正完全非晶冰的存在性**：当前实验是否因分辨率限制而遗漏了更细微的结构有序性？ - **星际冰的动力学表征**：亟需结合深空探测（如詹姆斯·韦伯望远镜）与实验室模拟，建立冰结构-功能关联图谱。 本研究通过多尺度模拟（分子动力学与能量最小化）与跨学科实验技术（中子衍射、X射线衍射），重新定义了非晶冰的原子图像，为理解宇宙水循环和极端条件下物质行为提供了新范式。
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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
