<p>新發(fā)現(xiàn)的冰是無(wú)定形的，也就是說，它的分子處于無(wú)序的形式，不像普通的晶體冰那樣整齊有序。無(wú)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?yàn)樵诟涞奶窄h(huán)境中，冰沒有足夠的熱能來(lái)形成晶體。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)》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(gè)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(wú)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(wú)定形冰(MDA)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究小組認(rèn)為，MDA(看起來(lái)像一種細(xì)小的白色粉末)可能存在于太陽(yáng)系外的冰衛(wèi)星內(nèi)部，因?yàn)閬?lái)自木星和土星等氣體巨星的潮汐力可能會(huì)對(duì)普通冰產(chǎn)生類似于球磨機(jī)產(chǎn)生的剪切力。此外，研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MDA被加熱并重新結(jié)晶時(shí)，它會(huì)釋放出大量的熱量，這意味著它可能會(huì)在木星的木衛(wèi)三(Ganymede，見下圖)等衛(wèi)星上厚達(dá)幾公里的冰層上引發(fā)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(xué)學(xué)院化學(xué))說:&ldquo;水是所有生命的基礎(chǔ)。我們的生存依賴于它，我們發(fā)射太空任務(wù)尋找它，但從科學(xué)的角度來(lái)看，人們對(duì)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(wú)定形冰，即高密度和低密度無(wú)定形冰。它們之間存在著巨大的密度差距，而公認(rèn)的觀點(diǎn)是，在這個(gè)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(duì)我們理解液態(tài)水及其許多異?，F(xiàn)象產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(xué)家們認(rèn)為，水實(shí)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(shí)一樣。這一假設(shè)已在計(jì)算機(jī)模擬中得到證實(shí)，但尚未得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。研究人員表示，他們的新研究可能會(huì)對(duì)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(yīng)該重新測(cè)試。他們需要能夠解釋中等密度無(wú)定形冰的存在。這可能是最終解釋液態(tài)水的起點(diǎn)。&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(fù)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(yán)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(xué)學(xué)院化學(xué))說:&ldquo;我們已經(jīng)證明，創(chuàng)造出一種看起來(lái)像定格動(dòng)畫的水是可能的。這是一個(gè)意想不到的、相當(dāng)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(xué)學(xué)院化學(xué)系期間進(jìn)行了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作，他說:&ldquo;我們長(zhǎng)時(shí)間地瘋狂搖晃冰，破壞了晶體結(jié)構(gòu)。我們意識(shí)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(fù)隨機(jī)剪切結(jié)晶冰來(lái)模擬球磨過程，該團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了MDA的計(jì)算模型。邁克爾&middot;戴維斯博士在倫敦大學(xué)學(xué)院和劍橋大學(xué)的ICE(界面、催化和環(huán)境)實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位時(shí)進(jìn)行了計(jì)算建模，他說:&ldquo;我們對(duì)MDA的發(fā)現(xiàn)提出了許多關(guān)于液態(tài)水本質(zhì)的問題，因此了解MDA的精確原子結(jié)構(gòu)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(lái)源:Michael Davies</p> <p>&nbsp;</p> <p>水有許多異?，F(xiàn)象，長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著科學(xué)家。例如，水在4攝氏度時(shí)密度最大，當(dāng)它結(jié)冰時(shí)密度會(huì)變小(這就是為什么冰會(huì)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(wú)定形冰是在20世紀(jì)30年代以低密度形式首次被發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們?cè)诶鋮s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(jì)80年代被發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)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(wú)定形冰被認(rèn)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(wú)定形冰，還有鋼球和液氮。</p> <p>&nbsp;</p> <p>球磨是一種用于多個(gè)行業(yè)研磨或混合材料的技術(shù)，但以前從未應(yīng)用于冰。在這項(xiàng)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(lái)確定球磨冰的密度。研究人員使用了許多其他技術(shù)來(lái)分析MDA的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，包括倫敦大學(xué)學(xué)院化學(xué)學(xué)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(xué)學(xué)院自然啟發(fā)工程中心的小角度衍射，以探索其長(zhǎng)程結(jié)構(gòu)。</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(shí)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(huì)在重新結(jié)晶時(shí)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(huì)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)系冰衛(wèi)星的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。</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(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>