宇宙冰层中隐藏的DNA尺度晶体可能重新定义水——以及生命本身

太空中的冰不同于地球上高度有序的晶体状冰。几十年来，科学家一直假设它是无定形的（没有结构），较低的温度意味着它在冻结时没有足够的能量结晶。

在发表于《物理评论B》的新研究中，研究人员调查了宇宙中最常见的冰形式——低密度无定形冰，它作为主要物质存在于彗星、冰卫星以及在恒星和行星形成的尘埃云中。

他们发现，如果这种冰不是完全无定形的，而是在其无序结构中嵌入了微小晶体（约三纳米宽，略宽于单股DNA），那么计算机模拟结果与先前实验的测量值最为吻合。

在实验工作中，他们还重新结晶（即加热）了以不同方式形成的无定形冰真实样品。他们发现，最终的晶体结构取决于无定形冰的起源方式。研究人员得出结论，如果冰是完全无定形的（完全无序），它就不会保留其早期形式的任何印迹。

主要作者Michael B. Davies博士（他在UCL物理与天文学院和剑桥大学攻读博士期间完成了这项工作）说：“我们现在对宇宙中最常见的冰形式在原子层面上的样子有了很好的了解。”

“这很重要，因为冰参与了许多宇宙学过程，例如行星如何形成、星系如何演化以及物质如何在宇宙中移动。”

这些发现还对关于地球生命起源的一种推测性理论有影响。根据这一被称为泛种论的理论，生命的构筑块是由冰彗星携带至此，其中低密度无定形冰作为航天器材料，运输诸如简单氨基酸等成分。

Davies博士说：“我们的发现表明，这种冰作为运输这些生命起源分子的材料效果较差。这是因为部分晶体结构中嵌入这些成分的空间较少。”

“不过，该理论可能仍然成立，因为冰中存在无定形区域，生命的构筑块可以在那里被捕获和储存。”

合著者、UCL化学系的Christoph Salzmann教授说：“地球上的冰由于我们温暖的气候而成为一种宇宙学奇观。你可以在雪花的对称性中看到其有序性质。”

“宇宙其他部分的冰长期以来被视为液态水的快照——即固定在位置上的无序排列。我们的发现表明这并不完全正确。”

“我们的结果还引发了关于无定形材料的普遍问题。这些材料在许多先进技术中有重要用途。例如，传输数据的玻璃纤维需要无定形或无序以实现其功能。如果它们确实含有微小晶体，并且我们能将其移除，这将改善其性能。”

在这项研究中，研究人员使用了两种水的计算机模型。他们通过以不同速率冷却到-120摄氏度来冻结这些虚拟的“盒子”水分子。不同的冷却速率导致了晶体冰和无定形冰的不同比例。

他们发现多达20%晶体（和80%无定形）的冰似乎与X射线衍射研究中发现的低密度无定形冰结构非常匹配（即研究人员向冰发射X射线并分析这些射线如何偏转）。

使用另一种方法，他们创建了包含许多紧密挤压在一起的小冰晶体的大型“盒子”。模拟然后使冰晶之间的区域无序化，达到了与第一种方法中25%晶体冰非常相似的结构。

在额外的实验工作中，研究团队以多种方式创建了低密度无定形冰的真实样品，从在极冷表面上沉积水蒸气（星际云中冰在尘粒上形成的方式）到加热所谓的高密度无定形冰（在极冷温度下压碎的冰）。

团队然后温和加热这些无定形冰，使其有能量结晶。他们注意到冰的结构差异取决于其起源——具体而言，分子堆积成六重（六方）排列的比例有所不同。

这是间接证据，他们表示，低密度无定形冰含有晶体。他们得出结论，如果冰是完全无序的，它就不会保留其早期形式的任何记忆。

研究团队表示，他们的发现引发了关于无定形冰性质的许多额外问题——例如，晶体的大小是否取决于无定形冰的形成方式，以及是否可能存在真正的无定形冰。

无定形冰的低密度形式首次在1930年代被发现，当时科学家在冷却到-110摄氏度的金属表面上凝结水蒸气。其高密度状态在1980年代被发现，当时普通冰在近-200摄氏度下被压缩。

最新论文背后的研究团队，基于UCL和剑桥大学，在2023年发现了中等密度无定形冰。这种冰被发现具有与液态水相同的密度（因此既不会沉也不会浮在水中）。

合著者、剑桥大学的Angelos Michaelides教授说：“水是生命的基础，但我们仍未完全理解它。无定形冰可能持有解释水许多异常现象的关键。”

Davies博士说：“冰在太空中是一种潜在的高性能材料。它可以屏蔽飞船免受辐射，或以氢和氧的形式提供燃料。因此，我们需要了解其各种形式和性质。”