新冰的发现可能会改变对水的认识

伦敦大学学院和剑桥大学的研究人员发现了一种新型冰，它比任何其他已知的冰都更像液态水，这可能会改写我们对水及其许多异常现象的理解。

新发现的冰是无定形的——也就是说，它的分子是杂乱无章的，不像普通的结晶冰那样整齐有序。无定形冰虽然在地球上很少见，但却是太空中发现的主要冰类型。那是因为在较冷的太空环境中，冰没有足够的热能来形成晶体。

对于发表在《科学》杂志上的这项研究，研究小组使用了一种称为球磨的工艺，在冷却至 -200 摄氏度的罐子中将普通冰与钢球一起剧烈摇晃。

他们发现，这一过程产生的不是普通冰块，而是一种新型无定形冰，与所有其他已知冰不同，它具有与液态水相同的密度，并且其状态类似于固态水。他们将新的冰命名为中密度无定形冰(MDA)。

该团队认为，MDA(看起来像细小的白色粉末)可能存在于外太阳系的冰卫星内部，因为来自木星和土星等气态巨行星的潮汐力可能会对普通冰施加与球磨产生的剪切力相似的剪切力. 此外，该团队发现，当 MDA 升温并重结晶时，它会释放出大量的热量，这意味着它可能会在木卫三等卫星上千米厚的冰层中引发构造运动和“冰震”。

资深作者 Christoph Salzmann 教授(伦敦大学学院化学系)说：“水是所有生命的基础。我们的存在依赖于它，我们启动了寻找它的太空任务，但从科学的角度来看，人们对它知之甚少。

“我们知道有 20 种结晶形式的冰，但以前只发现了两种主要类型的无定形冰，即高密度无定形冰和低密度无定形冰。它们之间存在巨大的密度差距，公认的观点是该密度差距内不存在冰。我们的研究表明，MDA 的密度恰好在这个密度间隙内，这一发现可能对我们了解液态水及其许多异常现象产生深远影响。”

已知无定形冰之间的密度差距导致科学家们提出水实际上在非常冷的温度下以两种液体的形式存在，并且理论上，在特定温度下，这两种液体可以共存，其中一种漂浮在另一种之上，就像混合油和水一样。这个假设已经在计算机模拟中得到证明，但没有被实验证实。研究人员表示，他们的新研究可能会对这一想法的有效性提出质疑。

Salzmann 教授说：“应该重新测试现有的水模型。他们需要能够解释中密度无定形冰的存在。这可能是最终解释液态水的起点。”

研究人员提出，新发现的冰可能是液态水真正的玻璃态——即固态液态水的精确复制品，就像窗户中的玻璃是液态二氧化硅的固态形式一样。然而，另一种情况是 MDA 根本不是玻璃态，而是处于严重剪切的结晶状态。

合著者 Andrea Sella 教授(伦敦大学学院化学系)说：“我们已经证明，可以制造出看起来像定格动画的水。这是一个出乎意料且相当惊人的发现。”

在 UCL 化学期间进行实验工作的主要作者亚历山大·罗苏-芬森博士说：“我们疯狂地摇晃了很长时间的冰，破坏了晶体结构。我们意识到，我们已经想出了一种全新的东西，具有一些非凡的特性，而不是最终得到更小的冰块。”

通过重复随机剪切结晶冰来模拟球磨过程，该团队还创建了 MDA 的计算模型。Michael Davies 博士在 UCL 和剑桥大学的 ICE(界面、催化和环境)实验室攻读博士学位时进行了计算建模，他说：“我们对 MDA 的发现提出了许多关于液态水和液态水的性质的问题。因此了解 MDA 的精确原子结构非常重要。”

水有许多异常现象，长期以来一直困扰着科学家们。例如，水在 4 摄氏度时密度最大，当它结冰时密度变小(因此冰会漂浮)。此外，挤压液态水越多，它就越容易被压缩，这与大多数其他物质的适用原则背道而驰。

1930 年代，科学家首次发现低密度形式的无定形冰，当时科学家将水蒸气凝结在冷却至 -110 摄氏度的金属表面上。它的高密度状态是在 20 世纪 80 年代发现的，当时普通的冰被压缩到近 -200 摄氏度。虽然在太空中很常见，但在地球上，无定形冰被认为只出现在寒冷的大气层上游。

球磨是一种在多个行业中用于研磨或混合材料的技术，但以前从未应用于冰。在这项研究中，液氮被用来将研磨罐冷却到 -200 摄氏度，球磨冰的密度是根据它在液氮中的浮力来确定的。研究人员使用了许多其他技术来分析 MDA 的结构和特性，包括伦敦大学学院的 X 射线衍射(观察从冰反射的 X 射线图案)和拉曼光谱(观察冰如何散射光)伦敦大学学院自然启发工程中心的化学和小角度衍射，以探索其长程结构。他们还使用 UCL Kathleen 高性能计算设备在计算机模拟中成功地复制了生产中密度冰的过程。

此外，他们使用量热法来研究中密度冰在较高温度下重结晶时释放的热量。他们发现，如果压缩 MDA 然后将其加热，它会在重结晶时释放出惊人的大量能量，这表明 H 2 O 可能是一种高能地球物理材料，可能会驱动冰卫星中的构造运动太阳系。