地球之外，冰不再是我們熟悉的模樣

如果把宇宙中最常見的物質列一份清單，水冰一定能排在非常靠前的位置。它藏在彗星的核心里，鋪在冰衛星的表面，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。可就是這樣一種看似再熟悉不過的物質，科學家最近卻發現：我們可能一直看錯了它的“內心世界”。

根據一項最新研究，深空中的冰，可能部分是結晶狀的。例如土星冰衛星恩克拉多斯上的冰（圖片來源：NASA）

長期以來，物理學家和天文學家都認為，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“溫暖”的環境中排列成規則晶格的產物，我們能在雪花的六角對稱中一眼看出它的秩序；而在接近絕對零度的宇宙深空，水分子幾乎沒有能量調整位置，于是被凍結成一種“無序”的狀態——所謂的低密度非晶冰。這種冰被認為像是“被定格的液態水”，內部沒有清晰結構。

但一項發表在《Physical Review B》上的新研究，卻悄悄動搖了這個看似穩固的共識。來自倫敦大學學院和劍橋大學的研究團隊發現：宇宙中最常見的這種“非晶冰”，并非完全無序，在它看似混亂的內部，可能藏著大量納米尺度的微小晶體。

這個發現，讓“冰”這種再普通不過的物質，突然變得復雜而迷人起來。

什么是“非晶冰”？

我們日常見到的冰，幾乎全是晶態冰。水分子通過氫鍵排成重復的六角形網絡，這種高度有序的結構讓冰變得堅硬、穩定，也讓雪花呈現出優美的幾何形態。

而非晶冰則完全不同。它的水分子沒有固定的重復排列，更像是液態水在瞬間被“凍住”的結構。科學家在20世紀30年代第一次制備出低密度非晶冰：把水蒸氣直接凝結在溫度低至零下110攝氏度的金屬表面上，水分子來不及排隊，就被鎖死在原位。

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

后來，人們又發現了高密度非晶冰，以及在2023年才首次被系統確認的中密度非晶冰——一種密度和液態水幾乎完全相同、既不沉也不浮的奇特形態。這些發現已經暗示：水和冰的“相圖”，遠比課本里的簡單版本要復雜得多。

在天文學中，低密度非晶冰尤為重要。因為在星際云、彗星和冰衛星表面，水通常是一分子一分子地沉積在極寒環境中，幾乎不可能形成宏觀晶體結構。因此，幾十年來，科學家普遍認為：宇宙中的冰是徹底無序的。

問題就在這里——“無序”真的那么徹底嗎？

看似混亂的冰，內部可能藏著“納米級秩序”

研究團隊的突破，來自計算模擬與實驗結果的相互印證。

在計算機中，他們構建了“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程。結果顯示，如果冰完全是無序的，模擬得到的X射線衍射特征，始終無法與真實實驗數據完全吻合。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——結果才與實驗高度一致。

低密度非晶態冰的結構示意圖。許多微小的晶體（白色）隱藏在非晶態物質（藍色）中。（圖片來源：UCL and University of Cambridge）

這些晶體并不是規則排列的大塊晶面，而是像“碎片”一樣，隨機嵌在非晶結構中。整體來看，冰仍然是非晶態的，但內部并非一片混沌，而是由無序區域與納米晶體共同組成的復合結構。

更有說服力的證據來自實驗室。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，讓它們重新結晶。結果發現：最終形成的晶體結構，會“記住”它們原來非晶態的形成方式。如果冰真是完全無序的，這種記憶效應根本不該存在。

這一點，恰恰暗示了非晶冰內部存在某種隱秘的秩序。

為什么宇宙冰的“微結構”如此重要？

乍一看，這似乎只是材料科學中的一個細節問題，但它的影響遠不止于實驗室。

這張木衛三的增強圖像，是由美國國家航空航天局（NASA）的“朱諾號”探測器所搭載的 JunoCam 成像儀在 2021 年 6 月 7 日飛掠這顆冰衛星期間拍攝的。來自那次飛掠的數據已被用于探測木衛三上鹽類及有機物的存在。（圖片來源：NASA）

首先，冰在宇宙中扮演著關鍵角色。星際塵埃上的冰外殼，會影響分子如何聚集、反應，進而左右恒星和行星的形成過程；彗星中的冰，記錄著太陽系早期的物質狀態；在一些設想中，冰甚至可能成為未來深空航行的重要資源，用來屏蔽輻射或分解成氫氧燃料。

更引人遐想的是，這項發現對“生命起源”的影響。

有一種被反復討論的假說認為，地球早期的生命原料——比如簡單氨基酸——可能是通過彗星或星際冰塵“搭便車”來到地球的。這一理論通常被稱為泛種論。低密度非晶冰之所以被看好，正是因為它被認為擁有大量“空隙”，可以容納這些有機分子。

但如果這種冰內部存在大量微小晶體，那么問題就來了。晶態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。

當然，這并不等于否定泛種論。研究者強調，在非晶區域中，依然存在可供有機分子嵌入的空間，只是這種“宇宙快遞”的容量，可能需要重新評估。

從一塊冰，重新認識“無序”的意義

這項研究還有一個更深遠的啟示：它挑戰了我們對“非晶材料”的直覺認知。

在日常語言中，“無序”往往意味著簡單、隨機、缺乏結構。但在物理學中，介于完全有序與完全無序之間的狀態，往往才是最復雜、也最有信息量的。正如研究者所說，當一點點秩序嵌入混亂之中，復雜性才真正出現。

這種認識不僅適用于冰。玻璃、光纖、非晶半導體，都是現代科技高度依賴的材料。如果它們內部也潛藏著未被察覺的微晶結構，那么理解并控制這種“隱形秩序”，可能會帶來性能上的飛躍。

宇宙中最豐富的冰并非無定形——它暗藏著許多晶體。這或許會改變我們對水、行星乃至生命本身的認知。（圖片來源：SciTechDaily.com）

而對普通人來說，這項研究也提醒我們：即便是最熟悉的物質，也可能隱藏著尚未被發現的層次。水是生命的基礎，但我們至今仍未完全理解它；而冰，這種看似“凝固的終點”，反而可能保存著水最豐富、最復雜的信息。

或許正如一位研究者所說，地球上的冰，才是宇宙中的“特例”。在更廣闊的天地里，冰從來不是靜止、單一的存在，而是一種介于秩序與混沌之間的復雜狀態。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