研究人员创造了一种前所未见的冰，其结构杂乱无章，密度几乎与液态水相同。
利用超低温和一些钢珠轴承，科学家创造了一种全新的奇异形式的冰，它具有与液态水相同的密度。
这种被称为中等密度无定形冰的冰适合科学家们不确定是否会被填满的冰冻水史中的一个缺口。 与地球上自然形成的结晶冰不同，新形成的冰没有有序的分子结构。 相反，它的分子处于混乱的不匹配状态，更像玻璃——一种被称为无定形的状态。 以前也曾制造过其他类型的无定形冰，但它们的密度要么远低于液态水，要么远高于液态水。 研究人员在今天（2 月 2 日）发表在《科学》杂志上的一项新研究中解释说，这种新的金发姑娘版本的无定形冰正好位于中间，几乎与液态水的密度完全匹配。
“这是全新的东西，”该研究的资深作者、伦敦大学学院物理与材料化学教授克里斯托夫·萨尔茨曼 (Christoph Salzmann)说。
磨冰
当冰在地球上正常冻结时，它的分子堆积成一个有组织的晶体结构。 这种结晶冰是 H2O 的怪癖之一，因为它以固态漂浮在液态水上而不是下沉。 这是由于与其他在结晶时形成更致密结构的材料相比，水冰的晶体结构中存在相对较大的间隙。
但是，如果操作得当，液态水也可以以无组织、无定形的状态冻结。 这些状态中的第一个，低密度无定形冰，是在 1930 年代发现的。 它是通过在非常冷的表面上沉积水蒸气制成的。 Salzmann 说，这个过程在太空中自然发生，因此低密度无定形冰可能是宇宙中最常见的冰形式。
在 20 世纪 80 年代，研究人员发现他们还可以通过在非常低的温度下压缩普通冰来制造高密度无定形冰。 但是从来没有人制造过中等密度的无定形冰——也就是说，直到萨尔茨曼和他的同事们有了一个“疯狂的星期五下午的想法”。 他们决定尝试球磨冰。
球磨机是一种类似于非常先进的鸡尾酒调酒器的设备。 将一种材料放入装有不锈钢球的腔室中，然后摇动或转动直到材料被磨碎。 Salzmann 说，球磨用于许多行业，但它特别擅长制造无定形材料以及将柔软的冷冻材料研磨成粉末。
“我们说，’为什么我们不把冰磨成球，看看会发生什么？’”萨尔茨曼说。
奇怪的属性
研究人员预计球磨机只会将冰晶破碎成更小的冰晶。 但事实并非如此。 取而代之的是，翻滚的钢球剪切并压缩了冰晶，将它们推向了一种新的混乱状态。 结果？ 中密度无定形冰。
计算机模型显示，冰开始时处于良好的结晶状态，其氢键形成六方晶格。 来自球磨的随机剪切将这些氢键以这种方式推动，使它们以混乱的之字形向上和向下指向。
新形式的冰在 77 开尔文或负 321 华氏度（负 196 摄氏度）时形成。 除了每立方厘米 1.06 克（每 0.06 立方英寸 0.037 盎司）的密度之外，它还有一些奇怪的特性。 （水的密度为每立方厘米 1 克，或每 0.06 立方英寸 0.035 盎司。）其中，Salzmann 说，是当研究人员压缩中密度冰并将其加热至负 185 F（负 120 C）时 ，冰重新结晶，释放出大量的热量。
“对于其他形式的[无定形]冰，如果你压缩它们并释放压力，就好像什么都没发生过一样，”萨尔茨曼说。 “但是 MDA [中密度无定形冰] 以某种方式具有存储机械能并通过加热释放机械能的能力。”
Salzmann 说，中等密度的无定形冰可能天然存在于气态巨行星的冰卫星上，那里巨大世界的引力压缩和剪切卫星的冰。 如果是这样，储存在这种形式的冰中的机械能可能会影响这些类霍斯卫星的构造。
Salzmann 说，了解中等密度的无定形冰还可以帮助研究人员更好地更广泛地了解液态水。 水很奇怪，不仅因为它的结晶形式漂浮，还因为它具有其他独特的特性，如高表面张力和高熔点和沸点。 科学家们仍在争论极低温度下水的性质。 Salzmann 说，现在任何辩论都需要考虑中等密度的无定形冰。
“我们对液态水的很多理解都建立在低密度和高密度无定形冰的支柱上，”他说。 “中密度无定形冰如何融入那幅画？”