一種全新的冰
水是所有地球生命的基礎，是我們賴以生存的重要源泉。
然而，作為一種所有人都熟知的物質，水卻擁有眾多不同於大多數物質的異常特性。例如，水的最大密度出現在4℃時；液態水越是被擠壓，就越容易被壓縮；當液態水凍結成固態的冰時，密度會變小。
對於科學家而言，我們最熟悉不過的水實際上還隱藏著諸多奧秘。在一項新發表於《科學》雜誌上的研究中，來自倫敦大學學院和劍橋大學的研究人員創造了一種全新的冰，它在密度與分子結構方面，比任何已知的冰都更像液態水。它的出現，或將為研究水的神秘性質打開新的大門。
介於高與低之間
冰可以分為具有整齊有序的分子結構的晶體冰，以及有著雜亂無章的分子結構的無定形冰。對於晶體冰來說，想必大家都不陌生。我們在日常生活中常見的普通冰就是晶體冰，目前已知的晶體冰種類已多達20種。與之相比，無定形冰要罕見的多，現有的無定形冰主要有兩種類型：高密度無定形冰（HDA）和低密度無定形冰（LDA）。
上個世紀30年代，無定形冰首次以低密度的形式被發現，它們是水蒸氣在低於-150℃的寒冷表面上冷凝的結果。到了20世紀80年代，高密度無定形冰也被發現，這類無定形冰是在寒冷溫度的基礎之下，通過對普通冰施予高壓壓縮而形成的。
顧名思義，高密度無定形冰和低密度無定形冰之間存在巨大的密度差異。一直以來，一種公認的觀點是，不存在密度處於這個差異之間的無定形冰。
然而，新研究所發現的這種無定形冰，其密度就恰好介於這個密度差異之間。因此，研究人員將這種新冰命名為「中密度無定形冰」（MDA）。
球磨形成的意外
在新研究中，研究人員在好奇心的驅使下，用一種被稱為球磨機的工具對普通的晶體冰進行了研磨。球磨是一種多用於研磨或混合材料的技術，但以前從未應用於冰。
具體來說，他們將普通冰和不鏽鋼球放入一個被冷卻到-200℃的容器中，然後以至少每秒20次的頻率對容器進行大力地搖晃，得到了令人意外的結果。
製造中密度無定形冰的部分裝置。（圖/Christoph Salzmann via
phys.org）
通過這種簡單的球磨過程，晶體冰並非只是簡單地被研磨成更小塊的冰，而是被分解成了一種細小的白色粉末。為了分析這些粉末的結構和性質，研究人員對粉末進行了X射線衍射分析，結果發現，這些粉末有別於其他所有已知的冰，它們的分子密度與液態水相近，但分子沒有明顯的有序結構，就宛如是液態水的固體版本。
這意味著，他們創造出了一種新形式的無定形冰。
研究人員認為，是不鏽鋼球對晶體冰產生了剪切力，才使普通冰變成中密度無定形冰的。在研究中，他們通過重複地隨機剪切結晶冰來模擬球磨過程，成功地在計算機模擬中復現了中密度無定形冰的形成過程。
計算機模擬顯示，當冰與不鏽鋼球在低溫下一起搖晃時，普通的晶體冰（左）的結構會變成無序的固體。當冰層在模擬中隨機移動時，水分子（紅色和灰色）重新排列成一種雜亂的無定形冰（右）。（圖/University of Cambridge）
中密度無定形冰可能存在於自然界的什麼地方？研究小組認為，它們可能存在於外太陽系的一些冰質衛星內部，比如木衛二、土衛二，因為來自氣態巨行星木星和土星的潮汐力，可能會對衛星上的普通冰產生類似的剪切力。
此外，研究小組還發現，當中密度無定形冰受熱並重新結晶時，會釋放出大量的熱。這意味著它可能會在如木衛三等含有厚達幾千米的冰層的衛星上，引發構造運動和「冰震」。
未解的問題
中密度無定形冰的出現，帶來了許多關於液態水性質的關鍵問題。這是一個意想不到的驚人發現。
然而，由於中密度無定形冰是通過研磨普通的晶體冰製成的，因此科學家目前尚不能定論它與液態水之間的關系，也不清楚它是否可以直接通過對液態水進行冷卻而產生。
如果這些問題能得到證實，那麼這種新型的無定形冰將能以一種前所未有的方式幫助科學家探索水的種種神秘特性，成為最終解釋液態水的奧秘的新起點。
例如，一直以來，基於對於高密度無定形冰和低密度無定形冰之間的密度差異的認知，科學家們認為在低溫下，水實際上是以兩種液態形式存在的。理論上，在一定的溫度下，這兩種液體能夠以一種漂浮在另一種之上的形式共存。但這一假設只在計算機模擬中實現過，尚未得到實驗驗證。而中密度無定形冰的出現，使研究人員可以對這種想法的有效性提出質疑。
#參考來源：
https://phys.org/news/2023-02-discovery-ice.html
https://www.cam.ac.uk/research/news/new-form-of-ice-is-like-a-snapshot-of-liquid-water
https://www.nature.com/articles/d41586-023-00293-w
https://www.sciencenews.org/article/water-ice-amorphous-physics-chemistry
#圖片來源：
封面圖&首圖：Christoph Salzmann via cam.ac.uk
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來源：原理
編輯：Tammy