太空中的冰可以做我們認(rèn)為不可能的事情

在太空的黑暗中結(jié)冰的水似乎并不像我們想象的那樣。

一項(xiàng)新的研究工作使用計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)來(lái)探索宇宙中最常見的水形式，發(fā)現(xiàn)它并不像科學(xué)家想象的那樣無(wú)結(jié)構(gòu)。相反，只有幾納米寬的重復(fù)圖案（也稱為晶體）可能嵌入到原本凍結(jié)的雜亂分子中。

由于科學(xué)家們認(rèn)為太空太冷，冰晶沒有能量形成，因此這一發(fā)現(xiàn)令人驚訝。

“我們現(xiàn)在對(duì)宇宙中最常見的冰在原子水平上是什么樣子有了一個(gè)很好的了解?！?a>物理學(xué)家邁克爾·本尼迪克特·戴維斯 （Michael Benedict Davies） 說(shuō)倫敦大學(xué)學(xué)院和英國(guó)劍橋大學(xué)。

“這很重要，因?yàn)楸鶇⑴c許多宇宙學(xué)過(guò)程，例如行星如何形成、星系如何演化以及物質(zhì)如何圍繞宇宙運(yùn)動(dòng)。”

相關(guān)：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的新型冰，它可能會(huì)改變我們對(duì)水的看法

沒有辦法繞過(guò)它：盡管水是地球上生命所必需的，但它是相當(dāng)奇怪的東西。它與其他液體的行為不同，科學(xué)家們至少已經(jīng)確定了20 個(gè)左右不同的階段它會(huì)在各種冰凍條件下呈現(xiàn)。

從廣義上講，水冰分為兩個(gè)不同的類別。結(jié)晶冰是我們?cè)诘厍蛏蠐碛械模优帕谐?a>純晶格.科學(xué)家們認(rèn)為，在太空中，冰應(yīng)該是無(wú)定形的：原子全部聚集在一起的凍結(jié)團(tuán)聚體higgledy-piggledy和 any-which-way。

然而一些分析表明至少某些形式的無(wú)定形冰可能是部分結(jié)晶的，因此 Davies 和同事進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)來(lái)調(diào)查。

太空霜@Space_Station窗#ISSpic.twitter.com/dOXimzkOmn

— Serg.Korsakov （@SergKorsakov）5月 23， 2022

模擬涉及以不同的速率將裝有水分子的虛擬容器凍結(jié)到 -120 攝氏度（-184 華氏度）左右的溫度。不同的凍結(jié)速率會(huì)產(chǎn)生不同比例的無(wú)定形冰和結(jié)晶冰的固體，其中一些冰排列成整齊的網(wǎng)格，而另一些則不是。

以前的研究有向無(wú)定形冰投擲 X 射線通過(guò)光束從材料內(nèi)部反彈的方式來(lái)辨別其結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)的結(jié)果表明，與這些實(shí)驗(yàn)最匹配的比例約為 20% 的結(jié)晶和 80% 的非晶。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員以不同的方式創(chuàng)造了無(wú)定形的冰。在太空中，水沒有液態(tài)，而是直接凍結(jié)來(lái)自 Vapor到表面（如巖石）上。為了模擬這個(gè)過(guò)程，研究人員將水蒸氣沉積在寒冷的表面上以凍結(jié)。

他們還在極冷的溫度下粉碎冰，以產(chǎn)生更高密度的無(wú)定形冰。然后，研究人員將每塊冰加熱到它有足夠的能量形成晶體的程度。

眾所周知，冰可以'remember' 它以前的結(jié)構(gòu);具體來(lái)說(shuō)，就是它的氫原子在結(jié)晶狀態(tài)下的排列順序。即使條件發(fā)生變化，也可以保留該順序。

當(dāng)研究人員對(duì)他們的兩塊冰進(jìn)行加熱時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的差異表明無(wú)定形冰含有晶體：如果沒有，它將保持完全無(wú)定形。

盡管這些實(shí)驗(yàn)是在地球上進(jìn)行的，但這些發(fā)現(xiàn)構(gòu)成了證據(jù)太空中的冰研究人員說(shuō)，可能確實(shí)包含微小的結(jié)晶區(qū)域。這不僅對(duì)理解太空中的水有影響，而且對(duì)一般的無(wú)定形材料也有影響。

“由于我們溫暖的溫度，地球上的冰是一種宇宙學(xué)上的奇觀奇特。您可以在雪花的對(duì)稱性中看到它的有序性質(zhì)。長(zhǎng)期以來(lái)，宇宙其余部分的冰一直被認(rèn)為是液態(tài)水的快照——即固定到位的無(wú)序排列。我們的研究結(jié)果表明這并不完全正確。物理化學(xué)家 Christoph Salzmann 說(shuō)倫敦大學(xué)學(xué)院。

“我們的結(jié)果也提出了關(guān)于非晶材料的一般問題。這些材料在許多先進(jìn)技術(shù)中具有重要用途。例如，長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)的玻璃纖維需要是無(wú)定形的或無(wú)序的，才能實(shí)現(xiàn)其功能。如果它們確實(shí)含有微小的晶體，我們可以去除它們，這將提高它們的性能。

該研究已發(fā)表在物理評(píng)論 B.

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