冰中隐藏的DNA尺寸晶体或将冰中隐藏的DNA尺寸晶体或将改写水——乃至生命本身

太空中的冰与地球上高度有序的晶体冰不同。数十年来，科学家们假设其为非晶态（无结构），认为低温意味着冰在冻结时缺乏形成晶体的足够能量。

在发表于《物理评论B》的新研究中，研究人员探查了宇宙中最常见的冰形态——低密度非晶态冰。这种冰构成彗星主体、覆盖冰质卫星表面，并存在于孕育恒星与行星的尘埃云中。

他们发现：当该冰体并非完全非晶态，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）时，计算机模拟结果与既往实验测量数据最为吻合。

在实验环节，研究人员对通过不同方式形成的真实非晶冰样本进行重结晶（即升温）。结果显示最终晶体结构随非晶冰原始形成方式而变化。他们推断：若冰体完全呈非晶态（完全无序），则不会保留任何早期形态印记。

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："我们现已从原子层面清晰认知宇宙中最常见冰形态的结构特征。"

"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、星系演变及物质在宇宙中的迁移。"

该发现还对地球生命起源的假说理论产生影响。根据泛种论推测，生命基本组分由冰彗星携带至地球，而低密度非晶冰作为"航天飞机材料"承载了简单氨基酸等成分的星际运输。

Davies博士指出："我们的研究表明此类冰作为生命起源分子的运输载体效能较低。这是因为部分晶体结构可容纳这些成分嵌入的空间更小。"

"不过该理论仍可能成立，因冰体存在非晶态区域可捕获并储存生命基本组分。"

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——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——即被冻结的无序排列。我们的发现证实这种认知不完全准确。"

"该结论还引发对非晶态材料本质的质疑。此类材料在尖端技术中应用广泛，例如传输数据的玻璃光纤需保持非晶态（无序）以实现功能。若其中存在微晶并能被去除，将提升其性能。"

研究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°C实现冻结。冷却速率差异导致晶体冰与非晶冰的比例变化。

他们发现：当冰体结晶度达20%（非晶态80%）时，其结构最接近X射线衍射研究中观测到的低密度非晶冰（即用X射线轰击冰体并分析射线偏折的实验方法）。

另一方法中，研究人员构建包含大量紧密挤压微晶的"分子盒"。模拟过程使冰晶间区域无序化，最终获得与首种方法中25%结晶冰高度相似的结构。

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

温和加热使非晶冰获得形成晶体的能量后，团队发现冰体结构随原始形成方式呈现差异——具体表现为六重（六方）堆叠分子比例的变化。

他们称此为低密度非晶冰含微晶的间接证据，并推断：若冰体完全无序，则不会保留任何原始形态记忆。

研究团队表示该发现引发诸多关于非晶冰本质的新问题——例如微晶尺寸是否随非晶冰形成方式改变，以及是否存在纯粹的非晶冰。

低密度非晶冰于1930年代首次被发现：科学家在-110°C金属表面冷凝水蒸气时观测到其存在。1980年代，当普通冰在近-200°C受压时，其高密度态被发现。

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。该冰密度与液态水相同（因此在水体中既不下沉也不上浮）。

合著者、剑桥大学Angelos Michaelides教授指出："水是生命基石，但我们尚未完全理解它。非晶态冰或许能解释水的诸多异常特性。"

Davies博士表示："冰在太空中可能成为高性能材料：可作航天器辐射屏蔽层，或以氢氧形式提供燃料。因此我们需掌握其多种形态与特性。"