<p>新發(fā)現(xiàn)的冰是無定形的，也就是說，它的分子處于無序的形式，不像普通的晶體冰那樣整齊有序。無定形冰雖然在地球上很少見，但卻是在太空中發(fā)現(xiàn)的主要冰類型。這是因為在更寒冷的太空環(huán)境中，冰沒有足夠的熱能來形成晶體。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這項發(fā)表在《科學》雜志上的研究中，研究小組使用了一種叫做球磨的過程，在一個冷卻到零下200攝氏度的罐子里，把普通冰和鋼球一起大力搖晃。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他們發(fā)現(xiàn)，這一過程最終產(chǎn)生的不是普通的小塊冰，而是一種新的無定形冰，與所有其他已知的冰不同，這種冰具有與液態(tài)水相同的密度，其狀態(tài)類似于固體形式的水。他們將這種新冰命名為中密度無定形冰(MDA)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究小組認為，MDA(看起來像一種細小的白色粉末)可能存在于太陽系外的冰衛(wèi)星內(nèi)部，因為來自木星和土星等氣體巨星的潮汐力可能會對普通冰產(chǎn)生類似于球磨機產(chǎn)生的剪切力。此外，研究小組發(fā)現(xiàn)，當MDA被加熱并重新結(jié)晶時，它會釋放出大量的熱量，這意味著它可能會在木星的木衛(wèi)三(Ganymede，見下圖)等衛(wèi)星上厚達幾公里的冰層上引發(fā)構造運動和&ldquo;冰震&rdquo;。<img src="https://www.ucl.ac.uk/news/sites/news/files/styles/small_image/public/1080px-ganymede_-_perijove_34_composite_3.png?itok=emca0iO7" alt="Composite image of Jupiter&rsquo;s moon Ganymede, taken by the NASA Juno spacecraft on its 34th flyby of the gas giant. Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill" width="320" height="320" />&nbsp;</p> <p>資深作者Christoph Salzmann教授(倫敦大學學院化學)說:&ldquo;水是所有生命的基礎。我們的生存依賴于它，我們發(fā)射太空任務尋找它，但從科學的角度來看，人們對它知之甚少。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們知道有20種晶體形式的冰，但之前只發(fā)現(xiàn)了兩種主要的無定形冰，即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(nèi)不存在冰。我們的研究表明，MDA的密度恰好在這一密度差距內(nèi)，這一發(fā)現(xiàn)可能對我們理解液態(tài)水及其許多異?，F(xiàn)象產(chǎn)生深遠的影響。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>已知的非晶態(tài)冰之間的密度差距使科學家們認為，水實際上在非常低的溫度下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，一種液體漂浮在另一種液體之上，就像油和水混合時一樣。這一假設已在計算機模擬中得到證實，但尚未得到實驗的證實。研究人員表示，他們的新研究可能會對這一想法的有效性提出質(zhì)疑。</p> <p>&nbsp;</p> <p>薩爾茲曼教授說:&ldquo;現(xiàn)有的水模型應該重新測試。他們需要能夠解釋中等密度無定形冰的存在。這可能是最終解釋液態(tài)水的起點。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員提出，新發(fā)現(xiàn)的冰可能是液態(tài)水的真正玻璃態(tài)&mdash;&mdash;也就是說，它是液態(tài)水的固體形態(tài)的精確復制品，就像窗戶上的玻璃是液態(tài)二氧化硅的固體形態(tài)一樣。然而，另一種情況是MDA根本不是玻璃狀的，而是處于嚴重剪切的晶體狀態(tài)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>合著者Andrea Sella教授(倫敦大學學院化學)說:&ldquo;我們已經(jīng)證明，創(chuàng)造出一種看起來像定格動畫的水是可能的。這是一個意想不到的、相當驚人的發(fā)現(xiàn)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>該研究的主要作者亞歷山大&middot;羅斯-芬森博士在倫敦大學學院化學系期間進行了這項實驗工作，他說:&ldquo;我們長時間地瘋狂搖晃冰，破壞了晶體結(jié)構。我們意識到，我們得到的不是更小的冰塊，而是一種全新的東西，具有一些非凡的特性。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>通過重復隨機剪切結(jié)晶冰來模擬球磨過程，該團隊還創(chuàng)建了MDA的計算模型。邁克爾&middot;戴維斯博士在倫敦大學學院和劍橋大學的ICE(界面、催化和環(huán)境)實驗室攻讀博士學位時進行了計算建模，他說:&ldquo;我們對MDA的發(fā)現(xiàn)提出了許多關于液態(tài)水本質(zhì)的問題，因此了解MDA的精確原子結(jié)構非常重要。&rdquo;</p> <p><br />邁克爾&bull;戴維斯<img src="https://www.ucl.ac.uk/news/sites/news/files/ice_to_mda-resized.jpg" alt=" Michael Davies" width="808" height="455" />&nbsp;</p> <p>普通晶體冰(左)和丙二醛(右)在原子尺度。來源:Michael Davies</p> <p>&nbsp;</p> <p>水有許多異?，F(xiàn)象，長期以來一直困擾著科學家。例如，水在4攝氏度時密度最大，當它結(jié)冰時密度會變小(這就是為什么冰會漂浮)。此外，你越擠壓液態(tài)水，它就越容易被壓縮，這與大多數(shù)其他物質(zhì)的原理不同。</p> <p>&nbsp;</p> <p>無定形冰是在20世紀30年代以低密度形式首次被發(fā)現(xiàn)的，當時科學家們在冷卻到零下110攝氏度的金屬表面上冷凝了水蒸氣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>它的高密度狀態(tài)是在20世紀80年代被發(fā)現(xiàn)的，當時普通冰在接近-200攝氏度的溫度下被壓縮。雖然在太空中很常見，但在地球上，無定形冰被認為只出現(xiàn)在寒冷的大氣上層。<img src="https://www.ucl.ac.uk/news/sites/news/files/amorphous_ice.jpg" alt="Screenshot from video showing the jar with medium-density amorphous ice inside, somewhat obscured by liquid nitrogen." width="808" height="390" />&nbsp;</p> <p>視頻截圖(下面)顯示了罐子里有中等密度的無定形冰，還有鋼球和液氮。</p> <p>&nbsp;</p> <p>球磨是一種用于多個行業(yè)研磨或混合材料的技術，但以前從未應用于冰。在這項研究中，使用液氮將研磨罐冷卻到-200攝氏度，通過液氮中的浮力來確定球磨冰的密度。研究人員使用了許多其他技術來分析MDA的結(jié)構和性質(zhì)，包括倫敦大學學院化學學院的x射線衍射(觀察x射線在冰上反射的模式)和拉曼光譜(觀察冰是如何散射光的)，以及倫敦大學學院自然啟發(fā)工程中心的小角度衍射，以探索其長程結(jié)構。</p> <p>&nbsp;</p> <p>此外，他們還用量熱法研究了中等密度的冰在較高溫度下重新結(jié)晶時釋放的熱量。他們發(fā)現(xiàn)，如果壓縮丙二醛，然后將其加熱，它會在重新結(jié)晶時釋放出驚人的大量能量，這表明H2O可以是一種高能地球物理物質(zhì)，可能會驅(qū)動太陽系冰衛(wèi)星的構造運動。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>