球磨“冰”磨出一篇Science，颠覆认知，发现前所未见的“冰”！

常见的认知当中当水变成冰时其密度会发生一定的改变，这是因为冰往往展现出特殊的晶体状态，然而这个认知可能会被打破。

最近，英国伦敦大学学院Christoph G. Salzmann教授和Angelos Michaelides教授合作在-200℃下，通过球磨“普通”冰制备出结构上不同的中密度无定形冰（MDA），新发现的冰结构是无定形的，也就是说，它的分子是无序的，而不是像在普通的结晶冰中那样整齐地排列。而且有趣的是，非晶态冰虽然在地球上很少见，但却是太空中冰的主要存在形式。这是因为在空间较冷的环境中，冰没有足够的热能形成晶体。相关论文以“Medium-density amorphous ice”为题发表在Science。

图1 MDA的制备过程

作者认为MDA可能存在于太阳系外部的冰卫星内部，因为来自木星和土星等气体巨星的潮汐力可能在普通冰上产生类似于球磨产生的剪切力。非晶化过程的核心是球-结晶-球冲击，它们对晶体起始材料施加压缩力和剪切力（图1），尽管局部熔融效应已被讨论为非晶化的起源，但位错缺陷的引入似乎是主要驱动力。通常，通过球磨的非晶化在低温下最有效。

同时研究人员认为新发现的冰可能是液态水的真实玻璃态，即真正的固态形式存在的液态水的完美复制品，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完全不是玻璃态的，而是处于严重剪切的结晶状态。

为了弄清楚这个问题，他们模拟了冰晶反复随机剪切的球磨过程并且建立了相对应的MDA的计算模型。作者认为MDA的发现引起了许多关于液态水性质的问题，所以分析MDA的精确原子结构是非常重要的。最后作者也成功的通过计算机模拟复制了产生中密度冰的过程（图2）。

图2.MDA形成机理的计算研究

基于此作者们利用量热法研究了中密度冰再结晶在较高温度下释放的热量。他们发现，如果他们压缩MDA然后使其升温，它释放出令人惊讶的大量能量，这个结果表明H2O可以成为一种高能量的地球物理材料，可能驱动太阳系冰月的构造运动。

图3 压力对MDA的影响

“我们知道20种冰的结晶形式，但以前只发现了两种主要的无定形冰，即高密度和低密度无定形冰。它们之间存在着巨大的密度差，在这个密度差内没有冰的存在是公认的观点。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理解液态水及其许多异常现象有深远的影响”。

合著者安德烈·塞拉教授( UCL化学)说："我们已经表明，创造一种看起来像停止运动的水是可能的。这是一个出乎意料且相当惊人的发现"。

第一作者作者亚历山大·罗苏-芬森( Alexander Rosu-Finsen )博士说："我们像疯子一样长时间摇晃冰，破坏了晶体结构。我们没有用更小的冰块结束，而是意识到我们已经提出了一种全新的东西，具有一些非凡的特性。

萨尔兹曼教授说："应该重新检验现有的水模型。他们需要能够解释中密度无定形冰的存在。这可能是最后解释液态水的出发点，已知的无定形冰之间的密度差距导致科学家们认为，在非常冷的温度下，水实际上是作为两种液体存在的，而在理论上，在一定的温度下，这两种液体可以共存，一种在另一种之上浮动，就像在混合油和水时一样。这一假设在计算机模拟中得到了证实，但没有得到实验的证实。”研究者表示，他们的新研究可能会对这一观点的有效性提出质疑。

MDA的研究表明，水在低温下比以前所认识到的更为复杂。MDA才是真正的液态水的玻璃态形式的可能性是一个值得注意的研究领域，这对理解液态水及其许多异常现象具有极大的帮助。即使不是，任何有效的水的计算模型都应该能够解释MDA的存在及其与高密度无定形冰和低密度无定形冰的关系。不管MDA的确切性质如何，这种材料都有可能储存压缩产生的机械能，这些机械能可以在低压下加热时释放出来。

文章转载自：“高分子科学前沿”

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