水玻璃的化学性质稳不稳定(一种全新的“无定形”冰形式被发现 - 可能会动摇我们对水的理解)

Posted 2023-05-30

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水玻璃的化学性质稳不稳定(一种全新的“无定形”冰形式被发现 - 可能会动摇我们对水的理解)

伦敦大学学院和剑桥大学的研究人员发现了一种新型的冰，它比任何其他已知的冰更接近于液态水，这可能会改写我们对水及其许多异常情况的理解。新发现的冰是无定形的--也就是说，它的分子是无组织的，而不是像普通的结晶冰那样整齐有序。无定形冰尽管在地球上很罕见，但却是在太空中发现的主要冰的类型。这是因为，在更冷的太空环境中，冰没有足够的热能来形成晶体。

对于发表在《科学》杂志上的这项研究，研究小组使用了一种叫做球磨的过程，在一个冷却到摄氏零下200度的罐子里，将普通的冰与钢球一起剧烈地摇晃。

制造中密度无定形冰的部分装置

他们发现，这个过程不是以小块的普通冰结束，而是产生了一种新的无定形的冰，与所有其他已知的冰不同，它具有与液态水相同的密度，其状态类似于固态的水。他们将这种新冰命名为中密度无定形冰（MDA）。

研究小组认为，MDA（看起来像一种细小的白色粉末）可能存在于外太阳系的冰卫星内部，因为来自木星和土星等气态巨行星的潮汐力可能对普通冰施加类似于球磨产生的剪切力。此外，研究小组发现，当MDA被加热并重新结晶时，它释放出了大量的热量，这意味着它可以在木星的木卫二（下图）等卫星上数公里厚的冰层中引发构造运动和"冰震"。

木卫三的综合图像，由美国宇航局的Juno航天器在第34次飞越这个气体巨行星时拍摄。资料来源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

高级作者克里斯托夫-萨尔兹曼教授（UCL化学）说。"水是所有生命的基础。我们的生存依赖于它，我们发射太空任务来寻找它，然而从科学的角度来看，我们对它的了解却很有限。我们知道有20种晶体形式的冰，但以前只发现了两种主要的无定形冰，被称为高密度和低密度无定形冰。它们之间存在着巨大的密度差距，而公认的观点是，在这个密度差距内没有冰存在。我们的研究表明，MDA的密度恰恰在这个密度差距之内，这一发现可能对我们理解液态水及其许多异常现象产生深远的影响。"

已知的无定形冰之间的密度差距使科学家们认为，水在非常寒冷的温度下实际上以两种液体的形式存在，理论上，在一定的温度下，这两种液体可以共存，一种浮在另一种上面，就像油和水混合时一样。这一假设已经在计算机模拟中得到证明，但没有得到实验的证实。研究人员说，他们的新研究可能会引起对这一想法的有效性的质疑。

Salzmann教授说。"现有的水的模型应该被重新测试，需要能够解释中等密度的无定形冰的存在，这可能是最终解释液态水的起点。"

研究人员提出，新发现的冰可能是液态水的真正玻璃态，也就是说是液态水的固体形式的精确复制品，就像窗户中的玻璃是液态二氧化硅的固体形式一样。然而，另一种情况是，MDA根本不是玻璃态，而是处于严重剪切的结晶状态。

主要作者Alexander Rosu-Finsen博士在UCL化学学院时进行了实验工作，他说："我们疯狂地长时间摇晃冰块，破坏了晶体结构。我们没有最终得到更小的冰块，而是意识到我们已经想出了一种全新的东西，具有一些非凡的特性。"

通过模仿通过重复随机剪切结晶冰的球磨程序，该团队还创建了一个MDA的计算模型。迈克尔-戴维斯博士，在UCL和剑桥大学的ICE（界面、催化和环境）实验室担任博士生时进行了计算建模，他说。"我们对MDA的发现提出了许多关于液态水性质的问题，因此了解MDA的精确原子结构是非常重要的。"

一种在分子结构上与液态水非常相似的新形式的冰（左），与普通结晶冰（右）相比。资料来源：剑桥大学

水有许多反常现象，长期以来一直令科学家感到困惑。例如，水在摄氏4度的时候密度最大，而当它冻结的时候密度会变小（因此冰会漂浮）。此外，越是挤压液态水，它就越容易被压缩，这与大多数其他物质的原则相悖。

无定形冰在20世纪30年代首次被发现为低密度形式，当时科学家在冷却到摄氏110度的金属表面上凝结水蒸气。它的高密度状态是在20世纪80年代被发现的，当时普通的冰被压缩到接近摄氏零下200度的温度。虽然在太空中很常见，但在地球上，无定形冰被认为只出现在寒冷的大气层上游。

视频截图显示罐子里有中密度无定形冰，有钢球和液氮。资料来源：Michael Davies

球磨是一种在多个行业中用于研磨或混合材料的技术，但之前还没有应用于冰。在这项研究中，液氮被用来将一个研磨罐冷却到零下200摄氏度，球磨冰的密度由其在液氮中的浮力决定。研究人员使用了一些其他技术来分析冰的结构。