曾被认为完全无序的冰，其实暗藏晶体结构！

水的多重样貌

水被赋予了众多称号——生命的载体、通用的溶剂、强效的腐蚀剂，以及最奇特的液体……水之所以拥有如此多样的别名，源于水拥有超过70种令人惊奇的异常性质，而这些异常也深刻影响了地球的形成与演化。

尽管对水的研究可以追溯至古代，但人类至今仍未能彻底揭示其本质。水能够以多种物理状态存在，尤其是在固态中，科学家已经在实验室中成功合成了20种不同的晶体结构。

在宇宙中，最常见的水的存在形式是低密度无定形冰（LDA），它广泛存在于彗星的核心、冰冷的卫星以及形成恒星和行星的分子云中。LDA之所以备受科学家关注，一方面是因为它可能参与了包括生命起源在内的多种宇宙过程，另一方面，它可能是解释水诸多异常性质的关键。

然而，自90年前首次发现以来，关于LDA在原子尺度上的结构到底是完全无序还是部分有序，一直存在争议。

如今，在一项新发表于《物理评论B》的研究中，一个研究团队通过数值模拟与实验研究表明：LDA并非像此前普遍认为的那样，是一种如液态水般完全无序的物质，而是一种其内部含有纳米级晶体的部分结晶的物质。

数值模拟与“记忆效应”

在模拟中，研究人员从300K（约27°C）的液态水开始，以不同的冷却速率将其降温至125K（约-148°C）。得到了在结构上有所差异的冰：有的是完全结晶的，有的则是在无定形基底中嵌有结晶颗粒。

为了判断哪种模拟结构与实验中制得的LDA最相符，研究人员计算了这些模拟冰的X射线衍射图谱，并与已有的实测数据进行比对。结果发现：含有约3纳米宽的纳米晶体、结晶度在16%–19%之间的冰，与此前的实验数据最为吻合。这说明，真实的LDA并非完全无定形，而是一种“部分结晶”物质。

除了模拟，研究团队还使用多种不同的方式制备了不同的LDA样本。随后，他们将这些样本缓慢加热至0°C，以观察样本转变为结晶冰的过程。结果发现，最终形成的结晶冰结构，会因初始形成路径不同而有所差异。

具体来说，LDA在转变为结晶冰时，呈现出不完全均匀的晶体结构——这说明它们“记得”自己是如何形成的。如果LDA是完全无定形的，那么这种“记忆效应”将不复存在，这进一步表明LDA冰内部确实存在晶体区域。

对生命起源假说的启示

这项研究也对“有生源说”（Panspermia，亦称“胚种论”）理论带来新的启示。该理论认为，生命的基本构件可能是由彗星携带至地球的，低密度无定形冰则扮演了“太空穿梭机”的角色，运输其中的氨基酸等有机物。

而新的研究表明，部分结晶结构的冰在作为生命起源分子的运输载体方面，可能不如想象中高效。这是因为其内部结构更致密，可容纳分子的空间更少。尽管如此，该理论依然成立，因为即使是部分结晶的冰，其内部仍保有一定比例的无定形区域，这些区域可以捕获并储存生命的构件。

真正“无定形”的冰，可能存在吗？

研究人员表示，这一成果不仅重新定义了LDA的结构特征，也引发了一个更根本性的问题——是否真的存在完全无定形的冰？因此接下来，研究人员的研究目标之一就是要搞清楚：在实验或自然条件下，是否有可能制造出真正无序、无晶体成分的冰，并进一步厘清这种物质与液态水之间的联系。

#参考来源：

https://www.ch.cam.ac.uk/news/%E2%80%98space-ice%E2%80%99-less-water-we-thought

https://physics.aps.org/articles/v18/s86

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.112.024203

#图片来源：

封面图&首图：M. Davies/University College London