地球之外，冰不再是我们熟悉的模样

如果把宇宙中最常见的物质列一份清单，水冰一定能排在非常靠前的位置。它藏在彗星的核心里，铺在冰卫星的表面，也像一层薄霜，附着在星际尘埃上，参与着恒星和行星的诞生。可就是这样一种看似再熟悉不过的物质，科学家最近却发现：我们可能一直看错了它的“内心世界”。

根据一项最新研究，深空中的冰，可能部分是结晶状的。例如土星冰卫星恩克拉多斯上的冰（图片来源：NASA）

长期以来，物理学家和天文学家都认为，宇宙中的冰和地球上的冰完全不同。地球上的冰，是水分子在相对“温暖”的环境中排列成规则晶格的产物，我们能在雪花的六角对称中一眼看出它的秩序；而在接近绝对零度的宇宙深空，水分子几乎没有能量调整位置，于是被冻结成一种“无序”的状态——所谓的低密度非晶冰。这种冰被认为像是“被定格的液态水”，内部没有清晰结构。

但一项发表在《Physical Review B》上的新研究，却悄悄动摇了这个看似稳固的共识。来自伦敦大学学院和剑桥大学的研究团队发现：宇宙中最常见的这种“非晶冰”，并非完全无序，在它看似混乱的内部，可能藏着大量纳米尺度的微小晶体。

这个发现，让“冰”这种再普通不过的物质，突然变得复杂而迷人起来。

什么是“非晶冰”？

我们日常见到的冰，几乎全是晶态冰。水分子通过氢键排成重复的六角形网络，这种高度有序的结构让冰变得坚硬、稳定，也让雪花呈现出优美的几何形态。

而非晶冰则完全不同。它的水分子没有固定的重复排列，更像是液态水在瞬间被“冻住”的结构。科学家在20世纪30年代第一次制备出低密度非晶冰：把水蒸气直接凝结在温度低至零下110摄氏度的金属表面上，水分子来不及排队，就被锁死在原位。

中密度非晶冰通过让极低温的钢制滚珠（轴承滚珠）与普通冰发生碰撞而制成的。（图片来源：Christoph Salzmann）

后来，人们又发现了高密度非晶冰，以及在2023年才首次被系统确认的中密度非晶冰——一种密度和液态水几乎完全相同、既不沉也不浮的奇特形态。这些发现已经暗示：水和冰的“相图”，远比课本里的简单版本要复杂得多。

在天文学中，低密度非晶冰尤为重要。因为在星际云、彗星和冰卫星表面，水通常是一分子一分子地沉积在极寒环境中，几乎不可能形成宏观晶体结构。因此，几十年来，科学家普遍认为：宇宙中的冰是彻底无序的。

问题就在这里——“无序”真的那么彻底吗？

看似混乱的冰，内部可能藏着“纳米级秩序”

研究团队的突破，来自计算模拟与实验结果的相互印证。

在计算机中，他们构建了“虚拟水盒”，用不同速度把水冷却到零下120摄氏度左右，模拟非晶冰在不同条件下形成的过程。结果显示，如果冰完全是无序的，模拟得到的X射线衍射特征，始终无法与真实实验数据完全吻合。只有在模型中加入一定比例的微小晶体——直径大约3纳米，略宽于一条DNA分子——结果才与实验高度一致。

低密度非晶态冰的结构示意图。许多微小的晶体（白色）隐藏在非晶态物质（蓝色）中。（图片来源：UCL and University of Cambridge）

这些晶体并不是规则排列的大块晶面，而是像“碎片”一样，随机嵌在非晶结构中。整体来看，冰仍然是非晶态的，但内部并非一片混沌，而是由无序区域与纳米晶体共同组成的复合结构。

更有说服力的证据来自实验室。研究人员用不同方法制备低密度非晶冰——有的是水蒸气直接沉积，有的是先压碎再加热——然后缓慢升温，让它们重新结晶。结果发现：最终形成的晶体结构，会“记住”它们原来非晶态的形成方式。如果冰真是完全无序的，这种记忆效应根本不该存在。

这一点，恰恰暗示了非晶冰内部存在某种隐秘的秩序。

为什么宇宙冰的“微结构”如此重要？

乍一看，这似乎只是材料科学中的一个细节问题，但它的影响远不止于实验室。

这张木卫三的增强图像，是由美国国家航空航天局（NASA）的“朱诺号”探测器所搭载的 JunoCam 成像仪在 2021 年 6 月 7 日飞掠这颗冰卫星期间拍摄的。来自那次飞掠的数据已被用于探测木卫三上盐类及有机物的存在。（图片来源：NASA）

首先，冰在宇宙中扮演着关键角色。星际尘埃上的冰外壳，会影响分子如何聚集、反应，进而左右恒星和行星的形成过程；彗星中的冰，记录着太阳系早期的物质状态；在一些设想中，冰甚至可能成为未来深空航行的重要资源，用来屏蔽辐射或分解成氢氧燃料。

更引人遐想的是，这项发现对“生命起源”的影响。

有一种被反复讨论的假说认为，地球早期的生命原料——比如简单氨基酸——可能是通过彗星或星际冰尘“搭便车”来到地球的。这一理论通常被称为泛种论。低密度非晶冰之所以被看好，正是因为它被认为拥有大量“空隙”，可以容纳这些有机分子。

但如果这种冰内部存在大量微小晶体，那么问题就来了。晶态冰几乎不溶解任何分子，空间也更加紧密，这意味着它能“携带”的生命原料可能比想象中更少。

当然，这并不等于否定泛种论。研究者强调，在非晶区域中，依然存在可供有机分子嵌入的空间，只是这种“宇宙快递”的容量，可能需要重新评估。

从一块冰，重新认识“无序”的意义

这项研究还有一个更深远的启示：它挑战了我们对“非晶材料”的直觉认知。

在日常语言中，“无序”往往意味着简单、随机、缺乏结构。但在物理学中，介于完全有序与完全无序之间的状态，往往才是最复杂、也最有信息量的。正如研究者所说，当一点点秩序嵌入混乱之中，复杂性才真正出现。

这种认识不仅适用于冰。玻璃、光纤、非晶半导体，都是现代科技高度依赖的材料。如果它们内部也潜藏着未被察觉的微晶结构，那么理解并控制这种“隐形秩序”，可能会带来性能上的飞跃。

宇宙中最丰富的冰并非无定形——它暗藏着许多晶体。这或许会改变我们对水、行星乃至生命本身的认知。（图片来源：SciTechDaily.com）

而对普通人来说，这项研究也提醒我们：即便是最熟悉的物质，也可能隐藏着尚未被发现的层次。水是生命的基础，但我们至今仍未完全理解它；而冰，这种看似“凝固的终点”，反而可能保存着水最丰富、最复杂的信息。

或许正如一位研究者所说，地球上的冰，才是宇宙中的“特例”。在更广阔的天地里，冰从来不是静止、单一的存在，而是一种介于秩序与混沌之间的复杂状态。而理解它，可能正是我们理解宇宙、生命，甚至自身起源的一小步。

撰稿/杨雨鑫

参考资料：
[1]. SciTechDaily → Tiny Crystals Hidden in Cosmic Ice Could Rewrite What We Know About Water and Life
[2]. Sciencedaily → Hidden DNA-sized crystals in cosmic ice could rewrite water—and life itself
[3]. Space.com → Scientists discover ice in space isn't like water on Earth after all