宇宙無定型冰驚現奈米結晶！科學家解開90年冰結構之謎

低密度無定型冰是宇宙中最常見的固態物質之一，更是解開液態水諸多異常特性的關鍵材料。然而，儘管這種冰具有重要意義且發現已近90年，其結構至今仍存在爭議。倫敦大學學院與劍橋大學的最新研究發現，當電腦模擬的低密度無定型冰含有約3奈米寬的微小結晶（略寬於單股DNA）時，與過往實驗資料最為吻合。研究團隊也透過實驗發現，不同形成方式的無定型冰在重新結晶後，其最終晶體結構會因原始形成過程而異。若冰體完全無定型（完全無序），將不會保留任何原始結構的特徵。

研究人員麥可·戴維斯博士表示：「我們現在終於瞭解宇宙中最常見的冰在原子層級的真實樣貌。這對理解行星形成、星系演化等宇宙學過程至關重要，因為冰在這些過程中都扮演重要角色。」

研究團隊運用兩種水分子電腦模型，透過不同降溫速率（最低達攝氏零下120度）模擬水分子的冷凍過程。結果顯示，當冰體含有20%結晶成分時，其結構與X射線繞射研究的低密度無定型冰最為吻合。

團隊另以實驗製備多種低密度無定型冰樣本，包括在極低溫表面沉積水蒸氣（模擬星際雲塵中冰的形成），以及加熱高密度無定型冰（極低溫高壓下形成的冰）。當這些無定型冰被緩慢加熱至結晶溫度時，研究人員發現其最終結構會因原始形成方式而異，特別是六方晶系排列比例的差異，這成為無定型冰含有結晶成分的間接證據。

劍橋大學安傑洛斯·米凱利德斯教授指出：「水是生命之源，但我們對它仍知之甚少。無定型冰可能是解開水分子諸多異常特性的關鍵。」戴維斯博士補充：「太空中的冰可能是高效能材料，可用作太空船輻射遮蔽或分解為氫氧燃料，因此瞭解其各種形態與特性至關重要。」

這項發現也對「胚種論」（認為生命基本元素由冰彗星攜帶至地球）提出新見解。戴維斯博士解釋：「部分結晶的結構會減少分子嵌入空間，降低其作為生命起源分子運輸載體的效果。但理論仍可能成立，因為無定型區域仍可捕獲並儲存這些生命基礎分子。」

倫敦大學學院克里斯托夫·薩爾茲曼教授總結：「地球上的冰因溫暖環境呈現有序結構（如雪花的對稱性），而宇宙中的冰長期被視為液態水的凍結快照。我們的研究證明這種看法並不完全正確，同時也對非晶材料的本質提出新思考。」這項發表於《物理評論B》期刊的研究，可能對光纖通訊等依賴非晶材料的先進技術產生重要影響。