科企岛：新型冰的发现可能会改变我们对水的理解

伦敦大学学院和剑桥大学的研究人员发现了一种新型的冰，它比任何其他已知的冰都更接近液态水，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，它的分子处于杂乱无章的形式，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。这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。

在这项发表在《科学》杂志上的研究中，研究小组使用了一种称为球磨的过程，在冷却至-200摄氏度的罐子中剧烈摇晃普通冰和钢球。

制造无定型冰的一部分

他们发现，这个过程不是最终得到一小块普通冰，而是产生了一种新的无定形形式的冰，与所有其他已知的冰不同，它具有与液态水相同的密度，其状态类似于固体形式的水。他们将新冰命名为“中密度无定形冰”（MDA）。

研究小组认为，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，因为来自木星和土星等气态巨行星的潮汐力可能会在普通冰上施加与球磨产生的剪切力相似的剪切力。此外，研究小组发现，当MDA升温并重新结晶时，它会释放出大量的热量，这意味着它可以在木卫三等卫星上数千公里厚的冰层中引发构造运动和“冰震”。

分子结构上：新冰形式（左） 普通结晶冰（右）

资深作者Christoph Salzmann教授（UCL化学）说：“水是所有生命的基础。我们的存在取决于它，我们发射太空任务寻找它，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非晶冰，称为高密度和低密度无定形冰。它们之间存在巨大的密度差距，公认的观点是，在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差距内，这一发现可能对我们对液态水及其许多异常现象的理解产生深远的影响。

已知的无定形冰之间的密度差距使科学家认为水实际上在非常冷的温度下以两种液体的形式存在，理论上，在一定温度下，这两种液体可以共存，一种类型漂浮在另一种之上，就像混合油和水一样。这一假设已经在计算机模拟中得到证实，但尚未得到实验证实。研究人员说，他们的新研究可能会对这一想法的有效性提出质疑。

萨尔兹曼教授说：“现有的水模型应该重新测试。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的真正玻璃状状态，即固体形式的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体形式一样。然而，另一种情况是MDA根本不是玻璃状的，而是处于严重剪切的结晶状态。

共同作者Andrea Sella教授（UCL化学）说：“我们已经证明有可能创造出看起来像定格动画的水。这是一个意想不到的、相当惊人的发现。

主要作者Alexander Rosu-Finsen博士在UCL化学学院进行了实验工作，他说：“我们疯狂地摇晃了冰很长时间，破坏了晶体结构。我们没有最终得到更小的冰块，而是意识到我们想出了一种全新的东西，具有一些非凡的特性。

通过对结晶冰的重复随机剪切来模拟球磨过程，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。例如，水在4摄氏度时密度最高，并且在结冰时密度降低（因此冰漂浮）。此外，你挤压液态水的次数越多，它就越容易压缩，偏离了大多数其他物质的原则。

无定形冰最早是在1930年代以低密度形式发现的，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1980年代发现的，当时普通冰被压缩在近-200摄氏度。虽然在太空中很常见，但在地球上，无定形冰被认为只发生在寒冷的大气上游。

球磨是一种用于多个行业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，液氮用于将研磨罐冷却至-200摄氏度，并且球磨冰的密度由其在液氮中的浮力确定。研究人员使用许多其他技术来分析MDA的结构和性质，包括伦敦大学学院化学的X射线衍射（观察从冰反射的X射线的模式）和拉曼光谱（观察冰如何散射光）以及伦敦大学学院自然启发工程中心的小角衍射，以探索其长期结构。他们还使用UCL Kathleen高性能计算设施在计算机模拟中成功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，如果他们压缩MDA，然后加热它，它在重结晶时释放出惊人的大量能量，表明H2O可以是一种高能地球物理物质，可以驱动太阳系冰卫星中的构造运动。