伦敦大学学院和剑桥大学的科学家揭示，“太空冰”——长期以来被认为完全无序——实际上散布着微小的晶体，这改变了我们对宇宙中冰的根本认识。这些仅有几纳米宽的微晶体是通过模拟和实验室实验鉴定出的，表明即使是太空中最常见的冰也保留着令人惊讶的结构。这不仅对天体物理学具有重大意义，对于生命起源理论和先进材料技术也具有重要影响。
太空中的冰不同于地球上的晶体（高度有序）形态的冰。几十年来，科学家一直认为它是非晶态（无结构）的，因为温度较低意味着它在冻结时没有足够的能量形成晶体。
在这项发表在《物理评论B》（Physical Review B）上的新研究中，研究人员研究了宇宙中最常见的冰的形式——低密度非晶冰，它以块状材料的形式存在于彗星、冰卫星以及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非晶态的，而是包含嵌入其无序结构中的微小晶体（宽约三纳米，略宽于单股DNA），那么这种冰的计算机模拟结果与先前实验的测量数据最为吻合。
在实验工作中，他们还重结晶（即加热）了以不同方式形成的非晶冰真实样本。他们发现，最终的晶体结构取决于非晶冰最初的形成方式。研究人员推断，如果冰是完全非晶态的（完全无序），它就不会保留任何早期形态的印记。
该研究的第一作者迈克尔·B·戴维斯博士在伦敦大学学院物理与天文系和剑桥大学攻读博士学位期间完成了这项工作，他说：“我们现在对宇宙中最常见的冰在原子层面上是什么样子有了清晰的认识。
“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。”
这些发现对关于地球生命起源的一种推测性理论也有启示意义。根据这一被称为“胚种论”的理论，生命的构建块是由冰彗星携带到地球的，而低密度非晶冰则是运送简单氨基酸等成分的“太空穿梭机”材料。
戴维斯博士说：“我们的发现表明，这种冰作为这些生命起源分子的运输材料效果较差。这是因为部分晶体结构拥有的空间较少，这些成分难以嵌入其中。
“不过，该理论仍可能成立，因为冰中存在非晶区域，生命的构建块可能被困并储存在那里。”
该研究的合著者、伦敦大学学院化学系的克里斯托夫·萨尔兹曼教授说：“由于地球温度温暖，地球上的冰是一种宇宙学上的奇特现象。你可以从雪花的对称性中看到它的有序性质。
“宇宙其他地方的冰长期以来被认为是液态水的快照——即固定在原位的无序排列。我们的发现表明这并不完全正确。
“我们的结果也引发了关于非晶材料总体上的疑问。这些材料在许多先进技术中有重要用途。例如，长距离传输数据的玻璃纤维需要是非晶态或无序的才能发挥功能。如果它们确实含有微小晶体而我们能够将其去除，这将提高它们的性能。”
在这项研究中，研究人员使用了两种水的计算机模型。他们以不同的速率将这些水分子的虚拟“盒子”冷却至零下120摄氏度进行冻结。不同的冷却速率导致了晶体冰和非晶冰比例的不同。
他们发现，晶体含量高达20%（非晶态80%）的冰似乎与X射线衍射研究中发现的低密度非晶冰的结构非常吻合（即研究人员向冰发射X射线并分析这些射线的偏转情况）。
利用另一种方法，他们创建了包含许多紧密挤压在一起的小冰晶的大型“盒子”。随后模拟使冰晶之间的区域变得无序，从而得出与第一种方法中25%晶体冰非常相似的结构。
在额外的实验工作中，研究团队通过多种方式制造了低密度非晶冰的真实样本，从将水蒸气沉积到极冷表面（冰在星际云尘埃颗粒上的形成方式）到加热所谓的高密度非晶冰（在极低温度下被压碎的冰）。
然后团队轻轻加热这些非晶冰，使其获得形成晶体的能量。他们注意到冰的结构因其起源不同而存在差异——具体来说，以六重（六方）排列堆叠的分子比例有所不同。
他们表示，这是低密度非晶冰含有晶体的间接证据。他们推断，如果它是完全无序的，冰就不会保留对其早期形态的任何记忆。
研究团队表示，他们的发现引发了许多关于非晶冰性质的额外问题——例如，晶体的大小是否随非晶冰的形成方式而变化，以及真正的非晶冰是否可能存在。
非晶冰的低密度形式最早于20世纪30年代被发现，当时科学家将水蒸气冷凝在冷却至零下110摄氏度的金属表面上。其高密度状态发现于20世纪80年代，当时普通冰在接近零下200摄氏度的温度下被压缩。
这篇最新论文背后的研究团队（来自伦敦大学学院和剑桥大学）于2023年发现了中密度非晶冰。这种冰被发现具有与液态水相同的密度（因此在水中既不下沉也不上浮）。
来自剑桥大学的合著者安杰洛斯·米哈伊利德斯教授说：“水是生命的基础，但我们仍未完全理解它。非晶冰可能掌握着解释水诸多异常现象的关键。”
戴维斯博士说：“冰在太空中可能是一种高性能材料。它可以保护航天器免受辐射，或以氢和氧的形式提供燃料。所以我们需要了解它的各种形式和属性。”