【蔡先靖專欄】衛星上的新型冰誕生了

《自然》(Nature)期刊喬納森·奧卡拉漢(Jonathan O’Callaghan)一篇<科學家們製造了一種可能存在於遙遠衛星上的新型冰>(Scientists made a new kind of ice that might exist on distant moons)報導這是一種「無定形」固體密度更大，可能是「及時凍結」的水。(The ‘amorphous’ solid is denser and could be water ‘frozen in time’.)。報導說，製作中等密度無定形冰的實驗裝置的一部分，涉及金屬滾珠軸承和杯子。用鋼球研磨普通冰破壞了它的晶體結構，並產生了一種新的、密度更大的固體水。科學家們創造了一種與水的密度和結構相匹配的新型冰，這或許為研究水的神秘特性打開了一扇大門。

文 / 蔡先靖 綜合報導

這種冰稱為中密度無定形冰。由倫敦大學學院 (UCL) 的亞歷山大·羅蘇-芬森 (Alexander Rosu-Finsen) 領導的創造它的團隊在 –200 ˚C 的溫度下用厘米寬的不銹鋼球在一個小容器中搖晃普通冰塊，以產生這種變體，這種變體從未出現過以前見過。冰看起來是粘在金屬球上的白色顆粒狀粉末。該研究結果今天發表在《科學》雜誌上。

通常，當水結冰時，它會結晶，其分子排列成我們稱之為冰的熟悉的六角形固體結構。冰的密度低於其液體形式——這是晶體的不尋常特性。根據壓力和結冰速度等條件，水也可以在其他兩種常規佈置中的任何一種中凝固。無定形冰則不同：它沒有這樣的順序。「你有很多分子隨意加入，」卓別林說。

之前已經發現了兩種類型的無定形冰，都是在二十世紀。「低密度」無定形冰是水蒸氣凍結在溫度低於 –150 ˚C 的極冷表面上的結果；「高密度」無定形冰通過在相似溫度下在高壓下壓縮普通冰而形成。雖然這兩種類型在地球上都不常見，但它們在太空中都很豐富。「彗星是大塊的低密度無定形冰，」倫敦大學學院的化學家、最新作品的合著者克里斯托夫薩爾茨曼說。

該團隊使用球磨機（一種通常用於在礦物加工中研磨或混合材料的工具）來研磨結晶冰。他們使用一個裝有金屬球的容器，以每秒約 20 次的速度搖晃少量冰塊。Salzmann 說，金屬球在冰上產生「剪切力」，將其分解成白色粉末。

向粉末發射 X 射線並在它們反彈時對其進行測量——這一過程被稱為 X 射線衍射——使團隊能夠計算出其結構。冰的分子密度與液態水相似，分子沒有明顯的有序結構——這意味著結晶度被「破壞」，Salzmann 說。「你正在看一種非常無序的材料。」

加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學家 Marius Millot 說，結果「非常有說服力，這是一個很好的例子，說明我們仍然需要了解水。」結果與英國劍橋大學團隊的科學家製作的模型相匹配，預測如果以這種方式分解普通冰會發生什麼。然而，目前尚不清楚由此產生的粉末是否真的符合液態水的特性，因為它之前被凍結為結晶冰。對此進行調查需要進一步的工作。

如果得到證實，這種新形式的冰可以以前所未有的方式研究水。「液態水是一種奇怪的物質，」卓別林說。「我們對它的了解還不如我們想要的那麼多。」 例如，人們普遍認為水由兩種形式組成，低密度水和高密度水，與先前已知的無定形冰變體相匹配。中密度無定形冰的發現可能會挑戰這個想法。美國宇航局的卡西尼號太空船在飛離這顆地質活躍的土星衛星時捕獲的土衛二表面。當土衛二繞土星運行時，土衛二表面的冰塊在潮汐力的作用下相互摩擦。更密集的「無定形」冰可能會在它們的邊界形成。「如果中等密度的無定形冰真的與液態水有關，那就意味著這個模型是不正確的，」Salzmann 說。「它可以開啟冰研究的新篇章。」

對於理解其他世界也有影響。我們太陽系中的一些衛星，如木星的衛星歐羅巴和土星的衛星土衛二，都有冰冷的表面。如果這樣一顆衛星上的兩個冰區由於潮汐力而摩擦在一起，它們可能會通過研究人員使用的相同剪切過程在它們之間產生中等密度的無定形冰。

密度的增加可能會在表面產生縫隙，當冰裂開時，會對衛星造成破壞。Salzmann 說：「冰會發生大規模崩塌，這可能會對冰冷衛星的地球物理學產生嚴重影響。」

反過來，這可能會對位於這些衛星冰面下的液態水海洋的潛在宜居性產生影響。「關於這些衛星的一個關鍵問題是你是否可以在液態水和岩石之間建立一個界面——這就是生命可能出現的地方，」米洛特說。「無定形冰可能具有我們需要了解的作用。」