科學家們發現了兩種新形式的鹹冰，它們可能不自然存在於地球上，但可能存在於太陽系更遠的冰冷衛星上。
“這些結構與之前描述的任何東西都不一樣，”華盛頓大學地球與空間科學代理助理教授 Baptiste Journaux 說。
寫在 2 月 20 日出版的《美國國家科學院院刊》Journaux 博士和他的同事們描述了兩種新的固體、冰冷的組合，由地球上發現的兩種最常見的物質組成：水和氯化鈉，也就是人們熟知的食鹽。
當鹹水冷卻至低溫並被擠壓至高壓時，新發現的晶體出人意料地形成了。
鹽水在地球上很豐富——畢竟它充滿了海洋——化學家早就知道它在地球條件下的行為。 這個星球上的冰很少是鹹的。
事實上，氯化鈉——每個分子由一個鈉原子和一個氯原子組成——通常首先被認為是一種防凍劑，可以降低水的冰點。 這就是它在暴風雪期間傳播到道路上的原因。 當鹽水結冰時，形成的冰晶是由純水構成的，鈉離子和氯離子被擠出到剩餘的液體中。
在足夠冷的溫度下，殘留的超鹹水開始凝固，形成水鹵石，一種堅硬的含水晶體或水合物。 氫鹵石由每個氯化鈉對應兩個水分子組成。
近幾十年來，行星科學家在外太陽系中發現了大量在冰殼下擁有液態水海洋的世界。 其中包括木星的兩個衛星木衛二和木衛三，以及土星的兩個衛星土衛六和土衛二。 Journaux 博士想研究鹽在防止這些星球上的海洋結冰方面可能發揮的作用。
為了重現這些條件，將少量鹹水冷卻至零下 190 華氏度的溫度，並在兩塊鑽石之間擠壓，壓力高達 25,000 倍，通常是空氣在地球表面對我們施加的壓力為每平方英寸 14.7 磅.
“最初我們進行這些實驗是因為我們想研究氯化鈉或鹽的抗凍作用，因為預測它可能是地外海洋中最常見的溶質，就像它在地球海洋中一樣，”Journaux 博士說。 “我們期待看到與我們在地球上看到的有些相似的東西，即隨著冰的生長，鹽分會從冰中排出。”
相反，防凍劑凍結了。
“我們有一種不知從哪裡冒出來的新晶體，這是我們完全沒有預料到的，”Journaux 博士說。 “所以這是非常偶然的。”
這些晶體很小，最多只有 1/250 英寸寬，大約相當於人類頭髮的寬度。
從晶體反射出的 X 射線向科學家們表明，他們創造了兩種新的水合物。 一個晶體結構為每 17 個水分子對應兩個氯化鈉分子。 那個形成的溫度大約是-100 華氏度，壓力是通常大氣壓的 5,000 倍。 在更高的壓力下，又形成了另一種含鹽量較低的水合物，其中每個氯化鈉分子對應 13 個水分子。
科學家們還看到了第三種形式的跡象，但針狀晶體太薄，無法研究晶體結構。 “它非常漂亮，”Journaux 博士說，“但它太薄了，很難獲得數據。”
新的水合物可能有助於解釋木衛二上的一個謎團。 2019 年使用哈勃太空望遠鏡進行的觀測 明確地在月球表面的黃色條紋中發現了氯化鈉。 它極不可能以純鹽粒的形式存在，但其他觀察結果——表面吸收的紅外光的顏色，可作為特定化合物的識別指紋——沒有提供令人信服的氫鹵石跡象，即已知的鹽水合物。
科學家表明，在 5,000 倍大氣壓下形成的新水合物在壓力移除後保持穩定，溫度可能高達 -40 華氏度。 這表明這種水合物可能是在歐羅巴的地下形成的，如果被推到地表就會保持這種形式。
“我們早就知道某種物質與水冰混合在一起，”加州理工學院行星天文學教授邁克爾·E·布朗說，他是通過哈勃觀測識別出氯化鈉的科學家之一在歐羅巴上。 “長期以來，我們一直懷疑它實際上可能只是來自內海的鹽分，但我們一直無法找到合適的答案。 也許是這種新形式的鹽。”
布朗博士說，氯化鈉“是世界上最簡單、最容易理解的東西之一”。 “然而 Journaux 剛剛發現了一種以前從未見過的新形式。”
水合物的穩定性還表明，可能有一種方法可以在不使用高壓的情況下製造它，或許能夠生長出更大的晶體。 這反過來可能會導致測量紅外光吸收的實驗，然後直接將其與木衛二的測量結果進行比較。
Journaux 博士聯繫了英國倫敦大學學院的化學教授 Christoph Salzmann，他是本月報告了一種新的玻璃狀水冰的科學家之一，該水冰是用鋼球搖動普通冰形成的。
從鹹水開始，同樣的技術或許也可以創造出新的水合物。 “我們肯定會試一試，”薩爾茨曼博士說。 “如果新的水合物在低溫下穩定，也許球磨提供的混合就是形成它所需要的。”
Journaux 博士說，這種水合物甚至可能天然存在於地球上。 南極洲的一些地方變得足夠冷，水合物可能會在鹹水湖中凝固。
Journaux 博士說，另一種水合物，每個氯化鈉對應 13 個水分子，可能存在於冰冷世界的海洋底部。
未來幾年，幾艘機器人航天器將前往外太陽系，研究這些有趣的冰世界，許多科學家稱這是太陽系中最有希望尋找地外生命的地方。 歐洲航天局的果汁任務——木星冰冷衛星探索者的縮寫——計劃於 4 月發射。 美國國家航空航天局計劃於 2024 年 10 月發射歐羅巴快船號宇宙飛船，以研究木衛二和蜻蜓號，並於 2026 年前往土星最大的衛星土衛六。
水合物甚至可能被證明是一種儲存太陽能電池板和風力渦輪機產生的能量的方法，以便在沒有陽光或無風時使用。 “所以這也可能對現實生活產生一些影響，”Journaux 博士說。
