如果把宇宙中最常見(jiàn)的物質(zhì)列一份清單，水冰一定能排在非?？壳暗奈恢?。它藏在彗星的核心里，鋪在冰衛(wèi)星的表面，也像一層薄霜，附著在星際塵埃上，參與著恒星和行星的誕生?？删褪沁@樣一種看似再熟悉不過(guò)的物質(zhì)，科學(xué)家最近卻發(fā)現(xiàn)：我們可能一直看錯(cuò)了它的“內(nèi)心世界”。

根據(jù)一項(xiàng)最新研究，深空中的冰，可能部分是結(jié)晶狀的。例如土星冰衛(wèi)星恩克拉多斯上的冰（圖片來(lái)源：NASA）

長(zhǎng)期以來(lái)，物理學(xué)家和天文學(xué)家都認(rèn)為，宇宙中的冰和地球上的冰完全不同。地球上的冰，是水分子在相對(duì)“溫暖”的環(huán)境中排列成規(guī)則晶格的產(chǎn)物，我們能在雪花的六角對(duì)稱(chēng)中一眼看出它的秩序；而在接近絕對(duì)零度的宇宙深空，水分子幾乎沒(méi)有能量調(diào)整位置，于是被凍結(jié)成一種“無(wú)序”的狀態(tài)——所謂的低密度非晶冰。這種冰被認(rèn)為像是“被定格的液態(tài)水”，內(nèi)部沒(méi)有清晰結(jié)構(gòu)。

但一項(xiàng)發(fā)表在《Physical Review B》上的新研究，卻悄悄動(dòng)搖了這個(gè)看似穩(wěn)固的共識(shí)。來(lái)自倫敦大學(xué)學(xué)院和劍橋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：宇宙中最常見(jiàn)的這種“非晶冰”，并非完全無(wú)序，在它看似混亂的內(nèi)部，可能藏著大量納米尺度的微小晶體。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)，讓“冰”這種再普通不過(guò)的物質(zhì)，突然變得復(fù)雜而迷人起來(lái)。

什么是“非晶冰”？

我們?nèi)粘Ｒ?jiàn)到的冰，幾乎全是晶態(tài)冰。水分子通過(guò)氫鍵排成重復(fù)的六角形網(wǎng)絡(luò)，這種高度有序的結(jié)構(gòu)讓冰變得堅(jiān)硬、穩(wěn)定，也讓雪花呈現(xiàn)出優(yōu)美的幾何形態(tài)。

而非晶冰則完全不同。它的水分子沒(méi)有固定的重復(fù)排列，更像是液態(tài)水在瞬間被“凍住”的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家在20世紀(jì)30年代第一次制備出低密度非晶冰：把水蒸氣直接凝結(jié)在溫度低至零下110攝氏度的金屬表面上，水分子來(lái)不及排隊(duì)，就被鎖死在原位。

中密度非晶冰通過(guò)讓極低溫的鋼制滾珠（軸承滾珠）與普通冰發(fā)生碰撞而制成的。（圖片來(lái)源：Christoph Salzmann）

后來(lái)，人們又發(fā)現(xiàn)了高密度非晶冰，以及在2023年才首次被系統(tǒng)確認(rèn)的中密度非晶冰——一種密度和液態(tài)水幾乎完全相同、既不沉也不浮的奇特形態(tài)。這些發(fā)現(xiàn)已經(jīng)暗示：水和冰的“相圖”，遠(yuǎn)比課本里的簡(jiǎn)單版本要復(fù)雜得多。

在天文學(xué)中，低密度非晶冰尤為重要。因?yàn)樵谛请H云、彗星和冰衛(wèi)星表面，水通常是一分子一分子地沉積在極寒環(huán)境中，幾乎不可能形成宏觀晶體結(jié)構(gòu)。因此，幾十年來(lái)，科學(xué)家普遍認(rèn)為：宇宙中的冰是徹底無(wú)序的。

問(wèn)題就在這里——“無(wú)序”真的那么徹底嗎？

看似混亂的冰，內(nèi)部可能藏著“納米級(jí)秩序”

研究團(tuán)隊(duì)的突破，來(lái)自計(jì)算模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互印證。

在計(jì)算機(jī)中，他們構(gòu)建了“虛擬水盒”，用不同速度把水冷卻到零下120攝氏度左右，模擬非晶冰在不同條件下形成的過(guò)程。結(jié)果顯示，如果冰完全是無(wú)序的，模擬得到的X射線(xiàn)衍射特征，始終無(wú)法與真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全吻合。只有在模型中加入一定比例的微小晶體——直徑大約3納米，略寬于一條DNA分子——結(jié)果才與實(shí)驗(yàn)高度一致。

低密度非晶態(tài)冰的結(jié)構(gòu)示意圖。許多微小的晶體（白色）隱藏在非晶態(tài)物質(zhì)（藍(lán)色）中。（圖片來(lái)源：UCL and University of Cambridge）

這些晶體并不是規(guī)則排列的大塊晶面，而是像“碎片”一樣，隨機(jī)嵌在非晶結(jié)構(gòu)中。整體來(lái)看，冰仍然是非晶態(tài)的，但內(nèi)部并非一片混沌，而是由無(wú)序區(qū)域與納米晶體共同組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

更有說(shuō)服力的證據(jù)來(lái)自實(shí)驗(yàn)室。研究人員用不同方法制備低密度非晶冰——有的是水蒸氣直接沉積，有的是先壓碎再加熱——然后緩慢升溫，讓它們重新結(jié)晶。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：最終形成的晶體結(jié)構(gòu)，會(huì)“記住”它們?cè)瓉?lái)非晶態(tài)的形成方式。如果冰真是完全無(wú)序的，這種記憶效應(yīng)根本不該存在。

這一點(diǎn)，恰恰暗示了非晶冰內(nèi)部存在某種隱秘的秩序。

為什么宇宙冰的“微結(jié)構(gòu)”如此重要？

乍一看，這似乎只是材料科學(xué)中的一個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題，但它的影響遠(yuǎn)不止于實(shí)驗(yàn)室。

這張木衛(wèi)三的增強(qiáng)圖像，是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的“朱諾號(hào)”探測(cè)器所搭載的 JunoCam 成像儀在 2021 年 6 月 7 日飛掠這顆冰衛(wèi)星期間拍攝的。來(lái)自那次飛掠的數(shù)據(jù)已被用于探測(cè)木衛(wèi)三上鹽類(lèi)及有機(jī)物的存在。（圖片來(lái)源：NASA）

首先，冰在宇宙中扮演著關(guān)鍵角色。星際塵埃上的冰外殼，會(huì)影響分子如何聚集、反應(yīng)，進(jìn)而左右恒星和行星的形成過(guò)程；彗星中的冰，記錄著太陽(yáng)系早期的物質(zhì)狀態(tài)；在一些設(shè)想中，冰甚至可能成為未來(lái)深空航行的重要資源，用來(lái)屏蔽輻射或分解成氫氧燃料。

更引人遐想的是，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)“生命起源”的影響。

有一種被反復(fù)討論的假說(shuō)認(rèn)為，地球早期的生命原料——比如簡(jiǎn)單氨基酸——可能是通過(guò)彗星或星際冰塵“搭便車(chē)”來(lái)到地球的。這一理論通常被稱(chēng)為泛種論。低密度非晶冰之所以被看好，正是因?yàn)樗徽J(rèn)為擁有大量“空隙”，可以容納這些有機(jī)分子。

但如果這種冰內(nèi)部存在大量微小晶體，那么問(wèn)題就來(lái)了。晶態(tài)冰幾乎不溶解任何分子，空間也更加緊密，這意味著它能“攜帶”的生命原料可能比想象中更少。

當(dāng)然，這并不等于否定泛種論。研究者強(qiáng)調(diào)，在非晶區(qū)域中，依然存在可供有機(jī)分子嵌入的空間，只是這種“宇宙快遞”的容量，可能需要重新評(píng)估。

從一塊冰，重新認(rèn)識(shí)“無(wú)序”的意義

這項(xiàng)研究還有一個(gè)更深遠(yuǎn)的啟示：它挑戰(zhàn)了我們對(duì)“非晶材料”的直覺(jué)認(rèn)知。

在日常語(yǔ)言中，“無(wú)序”往往意味著簡(jiǎn)單、隨機(jī)、缺乏結(jié)構(gòu)。但在物理學(xué)中，介于完全有序與完全無(wú)序之間的狀態(tài)，往往才是最復(fù)雜、也最有信息量的。正如研究者所說(shuō)，當(dāng)一點(diǎn)點(diǎn)秩序嵌入混亂之中，復(fù)雜性才真正出現(xiàn)。

這種認(rèn)識(shí)不僅適用于冰。玻璃、光纖、非晶半導(dǎo)體，都是現(xiàn)代科技高度依賴(lài)的材料。如果它們內(nèi)部也潛藏著未被察覺(jué)的微晶結(jié)構(gòu)，那么理解并控制這種“隱形秩序”，可能會(huì)帶來(lái)性能上的飛躍。

宇宙中最豐富的冰并非無(wú)定形——它暗藏著許多晶體。這或許會(huì)改變我們對(duì)水、行星乃至生命本身的認(rèn)知。（圖片來(lái)源：SciTechDaily.com）

而對(duì)普通人來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究也提醒我們：即便是最熟悉的物質(zhì)，也可能隱藏著尚未被發(fā)現(xiàn)的層次。水是生命的基礎(chǔ)，但我們至今仍未完全理解它；而冰，這種看似“凝固的終點(diǎn)”，反而可能保存著水最豐富、最復(fù)雜的信息。

或許正如一位研究者所說(shuō)，地球上的冰，才是宇宙中的“特例”。在更廣闊的天地里，冰從來(lái)不是靜止、單一的存在，而是一種介于秩序與混沌之間的復(fù)雜狀態(tài)。而理解它，可能正是我們理解宇宙、生命，甚至自身起源的一小步。

撰稿/楊雨鑫

參考資料：

[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