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改写对水的认识!最新《科学》发现前所未见的冰

发表时间:2023/02/16 19:22:30  来源:中国工程科技知识中心  作者:学术经纬  浏览次数:12202  
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我们知道,冰的密度比水小,只有水的大约90%,因此我们可以看见海面上的“冰山一角”。但在自然界,冰的复杂、多变远远超出了我们的想象。

▲最新《科学》研究通过球磨,产生了全新的中等密度无定形冰(图片来源:Christoph Salzmann)


我们熟悉的冰有着规则的晶体结构,分子按照六边形晶格排列。的确,地球上冻结的冰几乎都以这种形式存在;但放眼整个宇宙,这种晶体冰反倒成了非主流的形态,而缺乏高度有序晶体结构的无定形冰,才是水在宇宙中最常见的结构。


无定形冰的发现历史要追溯到近90年前。当时的研究人员发现,水蒸气在-110℃的金属表面凝华,形成了低密度无定形冰,这种冰的密度为0.94 g/cm3。到了上世纪80年代,科学家将普通的冰放置在接近-200 ℃的环境下压缩,又发现了另一种密度不低于1.13 g/cm3的高密度无定形冰


在此之后,这两种存在巨大密度差异的冰,一直被认为是无定形冰的全部形态——在两者之间,不存在其他形式的冰了。但现在,这个关于冰的传统认知遭到了改写。一项发表于《科学》杂志的研究报告了一种全新的无定形冰:中等密度无定形冰(medium-density amorphous ice, MDA)。

虽然MDA的珊珊来迟透着一种神秘色彩,但生成MDA的过程却出人意料地简单。由伦敦大学学院和剑桥大学领导的团队使用的是一种名叫球磨(ball milling)的加工方式,在工业生产中,球磨常常用于研磨建筑材料。而在最新研究中,研究团队首次将球磨用于冰的研究——将普通的冰和钢球放置在接近-200℃的容器里,通过剧烈摇晃,冰被钢球碾成了白色粉末。


为了维持超低温,进行球磨的容器里充满了液氮,而冰在液氮中的浮力,也使得研究人员得以测出冰的密度。结果,球磨产生的粉末状的冰,密度落在了一个空白地带——1.06±0.06 g/cm3,恰好处于高、低密度无定形冰之间。同时,X射线衍射确认了这种冰的无序结构。这就是新发现的中等密度无定形冰。随后,研究团队通过对晶态冰施加持续的剪切应力来模拟球磨的效果,在计算机中创建出MDA的模型。


领导这项研究的伦敦大学学院教授Christoph Salzmann说道:“我们知道有20种结晶冰,但此前只发现了两种无定形冰。这两种冰的密度有着巨大差异,传统的观点是两者间不存在其他形式的冰。我们的研究表明,MDA的密度恰好在两者之间。这项发现对于理解液态水及其异常特性有着深远影响。”

▲不同于普通的冰(右),MDA(左)的分子排布与液态水类似(图片来源:剑桥大学)


MDA的横空出世将重塑科学家对于冰的认知。由于此前发现的两种无定形冰存在明显的密度差异,因此科学家猜想在极低的温度下,水能够以两种液态的形式存在,理论上它们还可以共存:低密度的水浮在高密度的上方,就像是水-油混合。这个猜想得到了计算机模拟的支持,但实验尚未证实这个结果。而根据最新的研究结论,这一理论遭到了挑战。这些模型需要能够解释MDA的存在,才有可能最终成立。


与此同时,MDA也为科学家带来新的疑问。这种全新的形态究竟意味着什么?一种猜想认为,就如同我们熟悉的石英玻璃是二氧化硅的玻璃态,与液态水密度、衍射性质相近的MDA,也是液态水真正的玻璃态。当然,另一种可能性也不能排除——MDA并不是玻璃态,而是结晶状态的冰遭受大量剪切应力的结果。


看似普通的水,有着众多奇妙的特性。例如,液态水在4℃时密度最大,凝固时密度下降。论文指出,一旦更多研究能证实MDA是液态水的玻璃态,将为理解液态水的性质起到重要的推动作用。


MDA的出现还出人意料地加深了我们对天体运动的认识。由于在宇宙中极低的温度下,冰不具备形成晶体所需的热能,因此正如开头所言,无定形冰在宇宙中十分常见。研究人员推测,MDA可能就存在于外太阳系的冰质卫星中,因为木星、土星这两颗气态巨行星的潮汐力对于普通冰的剪切作用,就类似于实验中的球磨过程,从而能够形成MDA。当MDA被加热、重结晶,释放出令人惊讶的巨大热量,因此能够在木卫三等被厚重冰层覆盖的卫星上引发板块运动和“冰震”。


正如论文通讯作者,剑桥大学的Angelos Michaelides教授所言:“我们通常认为,不定性冰是水在宇宙中最普遍的形态。这其中有多少是MDA?其地球物理性质有多活跃?现在,对这些问题的研究才刚刚展开。”


参考资料:

[1] Alexander Rosu-Finsen et al, Medium-density amorphous ice, Science (2023). DOI: 10.1126/science.abq2105

[2] Discovery of new ice may change understanding of water. Retrieved Feb. 2nd, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/977965

[3] New ice is like a snapshot of liquid water. Retrieved Feb. 2nd, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/978425

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