水是怎么变成冰的科学小实验（改写对水的认识）

点击关注不迷路 ↑ ↑

普及科学知识，传播科学精神

我们知道，冰的密度比水小，只有水的大约90%，因此我们可以看见海面上的“冰山一角”。但在自然界，冰的复杂、多变远远超出了我们的想象。

▲最新《科学》研究通过球磨，产生了全新的中等密度无定形冰（图片来源：Christoph Salzmann）

我们熟悉的冰有着规则的晶体结构，分子按照六边形晶格排列。的确，地球上冻结的冰几乎都以这种形式存在；但放眼整个宇宙，这种晶体冰反倒成了非主流的形态，而缺乏高度有序晶体结构的无定形冰，才是水在宇宙中最常见的结构。

无定形冰的发现历史要追溯到近90年前。当时的研究人员发现，水蒸气在-110℃的金属表面凝华，形成了低密度无定形冰，这种冰的密度为0.94 g/cm3。到了上世纪80年代，科学家将普通的冰放置在接近-200 ℃的环境下压缩，又发现了另一种密度不低于1.13 g/cm3的高密度无定形冰。

在此之后，这两种存在巨大密度差异的冰，一直被认为是无定形冰的全部形态——在两者之间，不存在其他形式的冰了。但现在，这个关于冰的传统认知遭到了改写。一项发表于《科学》杂志的研究报告了一种全新的无定形冰：中等密度无定形冰（medium-density amorphous ice, MDA）。

虽然MDA的珊珊来迟透着一种神秘色彩，但生成MDA的过程却出人意料地简单。由伦敦大学学院和剑桥大学领导的团队使用的是一种名叫球磨（ball milling）的加工方式，在工业生产中，球磨常常用于研磨建筑材料。而在最新研究中，研究团队首次将球磨用于冰的研究——将普通的冰和钢球放置在接近-200℃的容器里，通过剧烈摇晃，冰被钢球碾成了白色粉末。

为了维持超低温，进行球磨的容器里充满了液氮，而冰在液氮中的浮力，也使得研究人员得以测出冰的密度。结果，球磨产生的粉末状的冰，密度落在了一个空白地带——1.06±0.06 g/cm3，恰好处于高、低密度无定形冰之间。同时，X射线衍射确认了这种冰的无序结构。这就是新发现的中等密度无定形冰。随后，研究团队通过对晶态冰施加持续的剪切应力来模拟球磨的效果，在计算机中创建出MDA的模型。

领导这项研究的伦敦大学学院教授Christoph Salzmann说道：“我们知道有20种结晶冰，但此前只发现了两种无定形冰。这两种冰的密度有着巨大差异，传统的观点是两者间不存在其他形式的冰。我们的研究表明，MDA的密度恰好在两者之间。这项发现对于理解液态水及其异常特性有着深远影响。”

▲不同于普通的冰（右），MDA（左）的分子排布与液态水类似（图片来源：剑桥大学）

MDA的横空出世将重塑科学家对于冰的认知。由于此前发现的两种无定形冰存在明显的密度差异，因此科学家猜想在极低的温度下，水能够以两种液态的形式存在，理论上它们还可以共存：低密度的水浮在高密度的上方，就像是水-油混合。这个猜想得到了计算机模拟的支持，但实验尚未证实这个结果。而根据最新的研究结论，这一理论遭到了挑战。这些模型需要能够解释MDA的存在，才有可能最终成立。

与此同时，MDA也为科学家带来新的疑问。这种全新的形态究竟意味着什么？一种猜想认为，就如同我们熟悉的石英玻璃是二氧化硅的玻璃态，与液态水密度、衍射性质相近的MDA，也是液态水真正的玻璃态。当然，另一种可能性也不能排除——MDA并不是玻璃态，而是结晶状态的冰遭受大量剪切应力的结果。

看似普通的水，有着众多奇妙的特性。例如，液态水在4℃时密度最大，凝固时密度下降。论文指出，一旦更多研究能证实MDA是液态水的玻璃态，将为理解液态水的性质起到重要的推动作用。

MDA的出现还出人意料地加深了我们对天体运动的认识。由于在宇宙中极低的温度下，冰不具备形成晶体所需的热能，因此正如开头所言，无定形冰在宇宙中十分常见。研究人员推测，MDA可能就存在于外太阳系的冰质卫星中，因为木星、土星这两颗气态巨行星的潮汐力对于普通冰的剪切作用，就类似于实验中的球磨过程，从而能够形成MDA。当MDA被加热、重结晶，释放出令人惊讶的巨大热量，因此能够在木卫三等被厚重冰层覆盖的卫星上引发板块运动和“冰震”。

正如论文通讯作者，剑桥大学的Angelos Michaelides教授所言：“我们通常认为，不定性冰是水在宇宙中最普遍的形态。这其中有多少是MDA？其地球物理性质有多活跃？现在，对这些问题的研究才刚刚展开。”

参考资料：

[1] Alexander Rosu-Finsen et al, Medium-density amorphous ice, Science (2023). DOI: 10.1126/science.abq2105

[2] Discovery of new ice may change understanding of water. Retrieved Feb. 2nd, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/977965

[3] New ice is like a snapshot of liquid water. Retrieved Feb. 2nd, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/978425

免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。

版权说明：本文来自药明康德内容团队，欢迎个人转发至朋友圈，谢绝媒体或机构未经授权以任何形式转载至其他平台。