[读懂科学]发现前所未有的“冰”……能找到外星生命吗？

Published 03 Feb.2023 09:39(KST)

Updated 17 Apr.2023 16:11(KST)

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英国伦敦学院大学团队
发现“中等密度无定形冰”
“密度水＞冰常识被打破，水=冰”
“或为探索外星生命提供线索”

[亚洲经济记者 Kim Bongsu] 从物理性质上看，水是一种极为特殊的物质。一般物质在固态时比液态时密度更大，但水则完全相反：冰的密度比水更低，体积更大。而科学家们最近发现了一种与液态水密度相同的固态冰。有分析认为，这一成果将在探测木星卫星欧罗巴等存在冰层的系外行星时，为预测是否存在生命提供重要线索。

英国伦敦大学学院研究团队为制备中等密度无定形冰而设计的实验模型。照片来源=UCL提供

英国伦敦学院大学研究团队于2日（当地时间）在国际学术期刊《Science》上发表论文，报告了这一研究结果。研究团队将这种冰命名为“中等密度无定形冰（medium-density amorphous ice）”。他们在零下200摄氏度条件下，将普通冰和不锈钢球一起放入小容器中，以每秒20次的速度摇晃，制造出了此前从未见过的变种冰。

普通的水在结冰时会发生结晶，分子排列成六角形的坚固结构。特别之处在于，冰的密度比水低，这与大多数物质在固态时密度更高的情况不同，是水所特有的性质。此外，水会根据结冰速度和压力的不同呈现出24种形态。而无定形冰由于分子是随机结合的，因此不具有固定形态。早在数十年前，科学界就已确认：在零下150摄氏度以下的低温下，水在极冷的金属表面上凝结成冰时，会形成低密度无定形冰；在同样条件下施加高压，则会生成高密度无定形冰。这两种冰在地球上并不常见，但在宇宙中却屡见不鲜，例如彗星上就经常发现低密度无定形冰。

研究团队利用一种用于研磨或混合矿物材料的工具——不锈钢球，对结晶冰进行粉碎。在零下200摄氏度的极低温环境中，他们将少量冰放入内置不锈钢球的容器内，以每秒约20次的速度摇晃。由此，不锈钢球在冰中产生剪切力，使其变成白色粉末。随后，研究团队利用X射线衍射仪分析了这种白色冰粉的结构，确认其密度与液态水完全相同，且其分子结构不再是冰特有的六角形，而是缺乏明显有序性的无定形结构。

科学家们指出，虽然仍需进一步研究验证，但如果此次发现属实，将有可能大幅改写人类对水的既有研究结论和常识。此前发现的无定形冰，其密度要么远低于液态水，要么远高于液态水，与此次结果存在差异。

英国伦敦南岸大学教授 Martin Chaplin 表示：“液态水是一种非常特殊的物质，我们目前对它的了解仍然十分有限。如果中等密度无定形冰确实与液态水存在联系，那么这意味着既有理论是错误的，冰的研究将开启新篇章。”

美国航空航天局（NASA）与欧洲航天局（ESA）共同规划中的木星卫星欧罗巴探测想象图。图片由NASA提供

这一发现预计也将影响对系外行星的探测。在太阳系内，木星卫星欧罗巴和土星卫星恩克拉多斯的表面都观测到了冰层，因此被认为存在生命的可能性。如果这些卫星上由于潮汐力作用，冰层之间相互碰撞产生剪切力，那么就有可能形成本次研究团队发现的这类中等密度无定形冰。当冰层密度增大时，表面会出现裂缝和断裂，并引发大规模坍塌，从而对相关卫星的表面地形产生巨大影响。因此，科学家认为，如果这类中等密度无定形冰也存在于这些卫星的表面，将可视为生命存在可能性的积极信号。