一种全新的冰 水是所有地球生命的基础，是我们赖以生存的重要源泉。 然而，作为一种所有人都熟知的物质，水却拥有众多不同于大多数物质的异常特性。例如，水的最大密度出现在4℃时；液态水越是被挤压，就越容易被压缩；当液态水冻结成固态的冰时，密度会变小。 对于科学家而言，我们最熟悉不过的水实际上还隐藏着诸多奥秘。在一项新发表于《科学》杂志上的研究中，来自伦敦大学学院和剑桥大学的研究人员 创造了一种全新的冰，它在密度与分子结构方面，比任何已知的冰都更像液态水 。它的出现，或将为研究水的神秘性质打开新的大门。 介于高与低之间 冰可以分为具有整齐有序的分子结构的 晶体冰 ，以及有着杂乱无章的分子结构的 无定形冰 。对于晶体冰来说，想必大家都不陌生。我们在日常生活中常见的普通冰就是晶体冰，目前已知的晶体冰种类已多达20种。与之相比，无定形冰要罕见的多，现有的无定形冰主要有两种类型：高密度无定形冰 （HDA） 和 低密度无定形冰 （LDA） 。 上个世纪30年代，无定形冰首次以低密度的形式被发现，它们是水蒸气在低于-150℃的寒冷表面上冷凝的结果。到了20世纪80年代，高密度无定形冰也被发现，这类无定形冰是在寒冷温度的基础之下，通过对普通冰施予高压压缩而形成的。 顾名思义，高密度无定形冰和低密度无定形冰 之间存在巨大的密度差异。一直以来，一种公认的观点是，不存在密度处于这个差异之间的无定形冰。 然而，新研究所发现的这种无定形冰， 其密度就恰好介于这个密度差异之间 。 因此，研究人员将这种新冰命名为＂ 中密度无定形冰 ＂ （MDA） 。 球磨形成的意外 在新研究中，研究人员在好奇心的驱使下，用一种被称为 球磨机 的工具对普通的晶体冰进行了研磨。球磨是一种多用于研磨或混合材料的技术，但以前从未应用于冰。 具体来说，他们将普通冰和不锈钢球放入一个被冷却到-200℃的容器中， 然后以至少每秒20次的频率对容器进行大力地摇晃，得到了令人意外的结果。 制造中密度无定形冰的部分装置。（图/Christoph Salzmann via phys.org） 通过这种简单的球磨过程，晶体冰并非只是简单地被研磨成更小块的冰，而是被分解成了一种细小的白色粉末。为了分析这些粉末的结构和性质，研究人员对粉末进行了X射线衍射分析，结果发现， 这些粉末有别于其他所有已知的冰，它们 的分子密度与液态水相近，但分子没有明显的有序结构，就宛如是液态水的固体版本 。 这意味着，他们创造出了一种新形式的无定形冰。 研究人员认为，是不锈钢球对晶体冰产生了 剪切力 ，才使普通冰变成中密度无定形冰的。在研究中，他们 通过重复地随机剪切结晶冰来模拟球磨过程，成功地在计算机模拟中复现了中密度无定形冰的形成过程。 计算机模拟显示，当冰与不锈钢球在低温下一起摇晃时，普通的晶体冰（左）的结构会变成无序的固体。当冰层在模拟中随机移动时，水分子（红色和灰色）重新排列成一种杂乱的无定形冰（右）。（图/University of Cambridge） 中密度无定形冰可能存在于自然界的什么地方？研究小组认为，它们可能存在于外太阳系的一些 冰质卫星 内部，比如木卫二、土卫二， 因为来自气态巨行星木星和土星的潮汐力，可能会对卫星上的普通冰产生类似的剪切力。 此外，研究小组还发现，当中密度无定形冰受热并重新结晶时，会释放出大量的热。这意味着它可能会在如木卫三等含有厚达几千米的冰层的卫星上，引发构造运动和＂冰震＂。 未解的问题 中密度无定形冰的出现，带来了许多关于液态水性质的关键问 题。这是一个意想不到的惊人发现。 然而， 由于中密度无定形冰是通过研磨普通的晶体冰制成的，因此科学家目前尚不能定论它与液态水之间的关 系，也不清楚它是否可以直接通过对液态水进行冷却而产生 。 如果这些问题能得到证实，那么这种新型的无定形冰将能以一种前所未有的方式帮助科学家探索水的种种神秘特性，成为最终解释液态水的奥秘的新起点。 例如，一直以来，基于对于高密度无定形冰和低密度无定形冰之间的密度差异的认知，科学家们认为在低温下，水实际上是以两种液态形式存在的。 理论上，在一定的温度下，这两种液体能够以一种漂浮在另一种之上的形式共存。但这一假设只在计算机模拟中实现过，尚未得到实验验证。而中密度无定形冰的出现，使研究人员可以对这种想法的有效性提出质疑。 # 参考来源： https://phys.org/news/2023-02-discovery-ice.html https://www.cam.ac.uk/research/news/new-form-of-ice-is-like-a-snapshot-of-liquid-water https://www.nature.com/articles/d41586-023-00293-w https://www.sciencenews.org/article/water-ice-amorphous-physics-chemistry # 图片来源： 封面图& 首图：Christoph Salzmann via cam.ac.uk 转载内容仅代表作者观点 不代表中科院物理所立场 如需转载请联系原公众号
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