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新发现:盐 + 水 = ?

发表时间:2023/03/13 21:48:10  来源:原理  浏览次数:3435  
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人类一直马不停蹄地搜寻地外生命的踪影。对我们已知的生命形式而言,液态水是一项重要的指标,这对于生命的出现和发展至关重要。

除了那些遥远的系外行星,就在我们的“家门口”,实际上也有一些备受关注的地方。在太阳系行星周围的一些卫星上,也有在地质时间尺度上算得上稳定的液态水存在,它们是太阳系中出现地外生命的最佳地点。

这些卫星上往往有着奇特的海洋和内部环境。比如,木星的卫星之一木卫二表面纵横交错的红色条纹非常醒目。科学家一直怀疑,那是水和盐的冰冻混合物,但它的化学特征相当神秘,它与地球上任何已知物质都不相符。

木卫二是木星四颗大卫星中最小的一颗,表面有纵横交错的红色条纹。新研究发现了一种新型的盐冰,可以用于解释这些条纹中的物质,并为木卫二上被冰雪覆盖的海洋的组成提供了线索。(图/NASA/JPL/Galileo)

近日,一组国际团队可能已经破解了谜题。新研究发现了一种新型固体晶体,由水和食盐在寒冷和高压的条件下结合形成。研究人员认为,这种在地球的实验室中创造出的新型物质,有可能在那些卫星的深海表面和海底形成。研究已发表在《美国国家科学院院刊》上。

低温高压下的盐和水

在地球条件下,盐和水都算不上什么罕见的物质。但在一些非常奇特的环境中,比如高压和低温条件下,一些最基础的矿物学就必须接受全新的审视。

在低温环境中,水和盐会结合形成一种刚性的盐化冰晶格,即水合物,它们通过氢键固定。在此之前,唯一已知的氯化钠水合物有着非常简单的结构,每两个水分子对应一个盐分子,这与新发现的两种新型水合物非常不同。

在新的实验中,研究人员在同步辐射设施中,将一小滴盐水放置在两颗沙粒大小的钻石之间进行压缩,施加的压力达到标准大气压的25000倍。透过透明的钻石,研究团队能用显微镜清晰地捕捉到这一过程。

因为盐可以起到防冻的作用,研究人员想要知道,加入盐会如何改变得到的冰的量。令人惊讶的是,在施加压力时,科学家看到的是一些意料之外的晶体开始生长。因此这也算一项非常偶然的发现。

新发现的水合物,每17个水分子对应两个氯化钠分子。这种晶体在高压下形成,但在低温和低压环境中依旧可以保持稳定。(图/Baptiste Journaux, University of Washington)

在这两种新型水合物中,其中一种是每两个氯化钠对应17个水分子,另一种则是每个氯化钠对应13个水分子。压强让分子更接近,它们的相互作用因此发生了变化。这也是晶体结构多样性的主要成因。

研究人员发现了两种由水和食盐在低温下(低于约零下50摄氏度)形成的新型晶体。先前已知的结构(左)是一个盐分子(黄色和绿色)对应两个水分子(红色和粉色)。X射线成像让研究人员确定了新型结构中各个原子的位置。中间的结构每17个水分子对应两个氯化钠分子,即使压力下降到接近真空也能保持稳定。右侧的结构是每13个水分子对应一个氯化钠分子,仅在高压下稳定。(图/Baptiste Journaux, University of Washington)

实验室中的这种低温高压条件,在木星的卫星上其实相当很常见。科学家认为,在那里,5到10千米的冰会覆盖深深的海洋,甚至在底部都可能有更致密的冰。

这些新发现的水合物一旦形成,两种结构中的一种即使在压力被释放后也能保持稳定。也就是说,如果有一处盐度很高的湖泊暴露在低温下,这种新发现的水合物可能在那里存在。而这一发现或许就能解释,为什么来自木星卫星表面的特征比预期的更“水”。

计划中的航天任务

团队希望制作或收集更大的样本,以便进行更彻底的分析,并验证来自冰质卫星的特征是否与新发现的水合物的特征相符。

一些航天任务计划在短期的未来探索这些冰质卫星。ESA的冰质木卫探测器任务将于4月发射,NASA的木卫二快船任务将于2024年10月发射。NASA的蜻蜓号土卫六探测器计划于2026年发射到土星的卫星。

研究这些卫星上奇特的海洋和内部,就有机会更好地了解它们是如何形成、演化的,也有助于更好地锁定可能的生命特征。

此外,这种新型盐冰的发现不仅对行星科学具有重要意义,还对物理化学,甚至能源研究都很重要,因为能源研究利用水合物来储存能量。

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