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一種全新的「無定形」冰形式被發現 ,可能會動搖我們對水的理解
2023/04/07

倫敦大學學院和劍橋大學的研究人員發現了一種新型的冰,它比任何其他已知的冰更接近于液態水,這可能會改寫我們對水及其許多異常情況的理解。新發現的冰是無定形的--也就是說,它的分子是無組織的,而不是像普通的結晶冰那樣整齊有序。無定形冰盡管在地球上很罕見,但卻是在太空中發現的主要冰的類型。這是因為,在更冷的太空環境中,冰沒有足夠的熱能來形成晶體。

對于發表在《科學》雜志上的這項研究,研究小組使用了一種叫做球磨的過程,在一個冷卻到攝氏零下200度的罐子里,將普通的冰與鋼球一起劇烈地搖晃。

制造中密度無定形冰的部分裝置

他們發現,這個過程不是以小塊的普通冰結束,而是產生了一種新的無定形的冰,與所有其他已知的冰不同,它具有與液態水相同的密度,其狀態類似于固態的水。他們將這種新冰命名為中密度無定形冰(MDA)。

研究小組認為,MDA(看起來像一種細小的白色粉末)可能存在于外太陽系的冰衛星內部,因為來自木星和土星等氣態巨行星的潮汐力可能對普通冰施加類似于球磨產生的剪切力。此外,研究小組發現,當MDA被加熱并重新結晶時,它釋放出了大量的熱量,這意味著它可以在木星的木衛二(下圖)等衛星上數公里厚的冰層中引發構造運動和"冰震"。

木衛三的綜合圖像,由美國宇航局的Juno航天器在第34次飛越這個氣體巨行星時拍攝。 資料來源:NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

高級作者克里斯托夫-薩爾茲曼教授(UCL化學)說。"水是所有生命的基礎。我們的生存依賴于它,我們發射太空任務來尋找它,然而從科學的角度來看,我們對它的了解卻很有限。我們知道有20種晶體形式的冰,但以前只發現了兩種主要的無定形冰,被稱為高密度和低密度無定形冰。它們之間存在著巨大的密度差距,而公認的觀點是,在這個密度差距內沒有冰存在。我們的研究表明,MDA的密度恰恰在這個密度差距之內,這一發現可能對我們理解液態水及其許多異常現象產生深遠的影響。"

已知的無定形冰之間的密度差距使科學家們認為,水在非常寒冷的溫度下實際上以兩種液體的形式存在,理論上,在一定的溫度下,這兩種液體可以共存,一種浮在另一種上面,就像油和水混合時一樣。這一假設已經在計算機模擬中得到證明,但沒有得到實驗的證實。研究人員說,他們的新研究可能會引起對這一想法的有效性的質疑。

Salzmann教授說。"現有的水的模型應該被重新測試,需要能夠解釋中等密度的無定形冰的存在,這可能是最終解釋液態水的起點。"

研究人員提出,新發現的冰可能是液態水的真正玻璃態,也就是說是液態水的固體形式的精確復制品,就像窗戶中的玻璃是液態二氧化硅的固體形式一樣。然而,另一種情況是,MDA根本不是玻璃態,而是處于嚴重剪切的結晶狀態。

主要作者Alexander Rosu-Finsen博士在UCL化學學院時進行了實驗工作,他說:"我們瘋狂地長時間搖晃冰塊,破壞了晶體結構。我們沒有最終得到更小的冰塊,而是意識到我們已經想出了一種全新的東西,具有一些非凡的特性。"

通過模仿通過重復隨機剪切結晶冰的球磨程序,該團隊還創建了一個MDA的計算模型。邁克爾-戴維斯博士,在UCL和劍橋大學的ICE(界面、催化和環境)實驗室擔任博士生時進行了計算建模,他說。"我們對MDA的發現提出了許多關于液態水性質的問題,因此了解MDA的精確原子結構是非常重要的。"

一種在分子結構上與液態水非常相似的新形式的冰(左),與普通結晶冰(右)相比。資料來源:劍橋大學

水有許多反常現象,長期以來一直令科學家感到困惑。例如,水在攝氏4度的時候密度最大,而當它凍結的時候密度會變小(因此冰會漂浮)。此外,越是擠壓液態水,它就越容易被壓縮,這與大多數其他物質的原則相悖。

無定形冰在20世紀30年代首次被發現為低密度形式,當時科學家在冷卻到攝氏110度的金屬表面上凝結水蒸氣。它的高密度狀態是在20世紀80年代被發現的,當時普通的冰被壓縮到接近攝氏零下200度的溫度。雖然在太空中很常見,但在地球上,無定形冰被認為只出現在寒冷的大氣層上游。

視訊截圖顯示罐子里有中密度無定形冰,有鋼球和液氮。資料來源:Michael Davies

球磨是一種在多個行業中用于研磨或混合材料的技術,但之前還沒有應用于冰。在這項研究中,液氮被用來將一個研磨罐冷卻到零下200攝氏度,球磨冰的密度由其在液氮中的浮力決定。研究人員使用了一些其他技術來分析冰的結構。

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