太空中的冰可以做我們認為不可能的事情

在太空的黑暗中結冰的水似乎并不像我們想象的那樣。

一項新的研究工作使用計算機模擬和實驗來探索宇宙中最常見的水形式，發現它并不像科學家想象的那樣無結構。相反，只有幾納米寬的重復圖案（也稱為晶體）可能嵌入到原本凍結的雜亂分子中。

由于科學家們認為太空太冷，冰晶沒有能量形成，因此這一發現令人驚訝。

“我們現在對宇宙中最常見的冰在原子水平上是什么樣子有了一個很好的了解。”物理學家邁克爾·本尼迪克特·戴維斯 （Michael Benedict Davies） 說倫敦大學學院和英國劍橋大學。

“這很重要，因為冰參與許多宇宙學過程，例如行星如何形成、星系如何演化以及物質如何圍繞宇宙運動。”

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沒有辦法繞過它：盡管水是地球上生命所必需的，但它是相當奇怪的東西。它與其他液體的行為不同，科學家們至少已經確定了20 個左右不同的階段它會在各種冰凍條件下呈現。

從廣義上講，水冰分為兩個不同的類別。結晶冰是我們在地球上擁有的，原子排列成純晶格.科學家們認為，在太空中，冰應該是無定形的：原子全部聚集在一起的凍結團聚體higgledy-piggledy和 any-which-way。

然而一些分析表明至少某些形式的無定形冰可能是部分結晶的，因此 Davies 和同事進行了計算機模擬和實驗來調查。

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— 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到 -120 攝氏度（-184 華氏度）左右的溫度。不同的凍結速率會產生不同比例的無定形冰和結晶冰的固體，其中一些冰排列成整齊的網格，而另一些則不是。

以前的研究有向無定形冰投擲 X 射線通過光束從材料內部反彈的方式來辨別其結構。該團隊的結果表明，與這些實驗最匹配的比例約為 20% 的結晶和 80% 的非晶。

在他們的實驗中，研究人員以不同的方式創造了無定形的冰。在太空中，水沒有液態，而是直接凍結來自 Vapor到表面（如巖石）上。為了模擬這個過程，研究人員將水蒸氣沉積在寒冷的表面上以凍結。

他們還在極冷的溫度下粉碎冰，以產生更高密度的無定形冰。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' 它以前的結構;具體來說，就是它的氫原子在結晶狀態下的排列順序。即使條件發生變化，也可以保留該順序。

當研究人員對他們的兩塊冰進行加熱時，他們發現結構上的差異表明無定形冰含有晶體：如果沒有，它將保持完全無定形。

盡管這些實驗是在地球上進行的，但這些發現構成了證據太空中的冰研究人員說，可能確實包含微小的結晶區域。這不僅對理解太空中的水有影響，而且對一般的無定形材料也有影響。

“由于我們溫暖的溫度，地球上的冰是一種宇宙學上的奇觀奇特。您可以在雪花的對稱性中看到它的有序性質。長期以來，宇宙其余部分的冰一直被認為是液態水的快照——即固定到位的無序排列。我們的研究結果表明這并不完全正確。物理化學家 Christoph Salzmann 說倫敦大學學院。

“我們的結果也提出了關于非晶材料的一般問題。這些材料在許多先進技術中具有重要用途。例如，長距離傳輸數據的玻璃纖維需要是無定形的或無序的，才能實現其功能。如果它們確實含有微小的晶體，我們可以去除它們，這將提高它們的性能。

該研究已發表在物理評論 B.

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