冰，作为自然界中最常见的物质之一，贯穿于地球和宇宙的各种环境。然而，近期科学家们在英国伦敦大学学院（UCL）和剑桥大学的合作研究中发现，宇宙中的冰结构并非像我们长期以来所认为的那样完全无序或“非晶态”。这一突破性的发现颠覆了传统观念，揭示了宇宙冰与地球上水冰在结构和性质上的本质差异，对理解宇宙演化、行星形成乃至生命起源具有重要意义。地球上的水冰通常在相对温暖的环境中形成，水分子因此能够形成规则的晶体结构，类似于雪花的对称性和美丽形态。这种有序的冰结构使冰具有特定的物理性质，比如明确的熔点和密度变化。然而，宇宙环境中的温度极其寒冷，常常低至零下100度至零下200摄氏度甚至更低，在如此严酷的条件下，水分子被认为无法形成有序的晶体结构，因而科学界一直认为宇宙冰是完全非晶态的，也就是说冰分子的排列是杂乱无章的。
之前的理论指出，在行星冰卫星如土星的恩克拉多斯（Enceladus）表面，喷发出的水蒸气在迅速冷却中形成的冰雪应该都是非晶态的。这意味着相比地球上复杂而精致的雪花，宇宙中形成的冰晶极其简单且无序，没有内部有序结构。然而，最新的研究结果显示，事实或许并非如此简单。通过计算机模拟和X射线衍射实验，科学家们发现即便是在极端低温下，宇宙冰也能部分结晶，甚至有高达四分之一的所谓“非晶态”冰其实包含有晶体结构。这种发现意味着宇宙冰不是完全无序的混沌体，而是在无序结构中嵌入了微小的晶体，尺寸通常只有几纳米。这种复合结构为宇宙冰的物理和化学性质带来了新变化，也为进一步探索冰在宇宙中的角色提供了新的视角。
科学家们利用两组不同类型的计算机模拟，分别以不同冷却速度冷冻水分子，以及通过扰乱晶格结构创造了模拟宇宙冰的结构，结果发现部分冰晶形成的概率远大于以往预期。随后，他们将实验室合成的非晶态冰置于X射线衍射仪下检测，通过分析散射图谱惊喜地确认了模拟结果的真实性。这种部分结晶的非晶态冰可能广泛存在于土星的恩克拉多斯、水星、木星的冰卫星以及星际尘埃颗粒中。理解冰的这种新状态，对于解析冰如何参与行星形成过程有着重要影响。冰不仅作为行星内部和表面的组成部分，更关键的是它在天体物质的演化和化学反应中扮演催化剂的角色。之前认为完全非晶的冰结构可以像“海绵”一样捕获和包裹有机分子，是推动复杂生命分子形成的理想环境之一。
而如今，部分结晶的冰结构表明，冰的孔隙和空间减少，这将影响有机分子的储存和化学反应路径，进而对生命起源的假说提出了新的约束。这项研究的共同负责人Michael B. Davis强调，了解宇宙冰的结构对于未来航天探索和深空任务设计同样重要。冰具有潜在的多功能性，能够作为辐射屏障保护航天器，同时通过水的电解产生氢和氧，为长途太空飞行提供燃料和生命支持资源。这意味着，科学家们必须重新评估冰在极端环境中的物理性能和可能用途，以促进人类探测宇宙的技术发展。回顾科学史，低密度非晶态冰最早于20世纪30年代被发现，随后80年代发现了高密度非晶态冰。2023年，Davis团队首次成功合成了中密度非晶态冰，其密度与液态水相当。
此次研究主要采用低密度非晶态冰进行实验，这种冰在宇宙中最为常见。研究不仅结合了先进的模拟技术，还引入了实际的实验数据，使发现具有较高的科学可信度。对冰的重新定义也为天文学家预测和解释未来观测中冰的物理特性提供了理论依据。例如，在星际云和行星形成盘中，冰的结晶比例可能影响尘埃的聚集速率和化学反应的有效性，从而决定行星系统的组成和发展。这一切表明，宇宙冰的研究已不再是纯粹的物理化学问题，而是牵动着宇宙演化、天体化学及生命科学的交叉领域。随着探测技术和观测设备不断进步，人们有望直接观测到更精细和真实的宇宙冰结构，验证理论模拟并揭示更多未知的自然规律。
未来几年里，诸如詹姆斯·韦伯空间望远镜等尖端观测设施将为冰的研究贡献更多原始数据，辅助科学家解锁宇宙冰的更多秘密。总体来说，这次发现改写了冰的宇宙形象，让我们意识到即使是在极端寒冷而稀薄的宇宙空间，水冰也能以复杂多样的形式存在。这不仅丰富了宇宙物质的多样性，更为生命起源、星球形成及未来太空探索提供了宝贵的新知识和方向。科学家们继续探寻宇宙间水的奥秘，是我们理解人类自身存在的一大关键。随着对宇宙冰的深入揭示，人类脚下的地球与浩瀚星空的联系正在变得愈发紧密而神秘。
