研究人员发现了两种在低温下由水和食盐制成的新晶体，温度低于约零下50摄氏度。已知的结构(左)有一个盐分子(黄色和绿色的球)到两个水分子(红色和粉红色的球)。x射线成像让研究人员能够确定新结构中单个原子的位置。中心结构中每17个水分子中有两个氯化钠分子，即使压力下降到接近真空，也能保持稳定，就像月球表面存在的那样。右边的结构是每13个水分子中有一个氯化钠分子，只有在高压下才稳定。Credit: Baptiste Journaux/University of Washington
据美国物理学家组织网（by University of Washington）：木星的卫星之一木卫二表面纵横交错的红色条纹非常引人注目。科学家怀疑它是水和盐的冷冻混合物，但它的化学特征是神秘的，因为它与地球上任何已知的物质都不匹配。
华盛顿大学领导的一个团队可能已经解决了这个难题，他们发现了一种新型固体晶体，这种晶体是水和食盐在寒冷和高压条件下结合形成的。研究人员认为，地球上一个实验室创造的新物质可能在这些世界深海的表面和底部形成。
这项研究发表在2月20日的《美国国家科学院院刊》上，宣布了地球上最常见的两种物质的新组合:水和氯化钠，或食盐。
“如今，在科学领域有重大发现已经很少见了，”首席作者、UW地球和空间科学代理助理教授Baptiste Journaux说。“盐和水在地球上是众所周知的。但除此之外，我们一无所知。现在我们有了这些行星物体，它们可能有我们非常熟悉的化合物，但是在非常奇特的条件下。我们必须重做所有的基础矿物学科学，就像人们在19世纪所做的那样，但是是在高压和低温下。这是一个激动人心的时刻。”
在寒冷的温度下，水和盐结合形成坚硬的盐冰晶格，称为水合物，通过氢键固定。已知的氯化钠水合物是一种简单的结构，每两个水分子对应一个盐分子。
新发现的水合物中，每17个水分子中就有两个氯化钠分子。这种晶体在高压下形成，但在低温低压条件下保持稳定。Credit: Journaux et al./PNAS
但是，在中等压力和低温下发现的这两种新水合物有着显著的不同。一种是每17个水分子有两个氯化钠；另一种是每13个水分子对应一个氯化钠。这可以解释为什么木星卫星表面的信号比预期的更“水”。
“它具有行星科学家一直在等待的结构，”Journaux说。
Journaux说，新类型咸冰的发现不仅对行星科学具有重要意义，而且对物理化学甚至能源研究也具有重要意义，能源研究使用水合物储存能量。
这项实验包括将一点点盐水压缩在大约一粒沙子大小的两个钻石之间，将液体挤压到标准大气压的25000倍。透明的钻石让研究小组可以通过显微镜观察这一过程。
“我们试图测量添加盐会如何改变我们可以得到的冰的数量，因为盐充当防冻剂，”Baptiste说。“令人惊讶的是，当我们施加压力时，我们看到的是这些我们没有预料到的晶体开始生长。这是一个非常偶然的发现。”
这张卫星图像显示了木卫二表面的红色条纹，木卫二是木星四颗大卫星中最小的一颗。新类型咸冰的发现可以解释这些条纹中的物质，并为木卫二被冰覆盖的海洋的组成提供线索。Credit: NASA/JPL/Galileo
在实验室中创造的这种寒冷、高压的条件在木星的卫星上很常见，科学家们认为，5到10公里的冰将覆盖数百公里厚的海洋，底部可能有更致密的冰。
“压力只是让分子靠得更近，所以它们的相互作用发生了变化——这是我们发现的晶体结构多样性的主要引擎，”Journaux说。
一旦新发现的水合物形成，即使在压力释放后，两种结构中的一种仍保持稳定。
“我们确定它在高达零下50摄氏度的标准压力下保持稳定。因此，如果你有一个非常咸的湖泊，例如在南极洲，可能暴露在这些温度下，这种新发现的水合物可能存在于那里，”Journaux说。
该团队希望制作或收集更大的样本，以进行更彻底的分析，并验证冰卫星的信号是否与新发现的水合物的信号相匹配。
这张卫星图片显示了木卫三表面的白色条纹，木卫三是木星最大的卫星。新类型咸冰的发现可以解释这些条纹中的物质，并为木卫三被冰覆盖的海洋的组成提供线索。Credit: NASA/JPL/JUNO
两个即将到来的任务将探索木星的冰卫星:欧洲航天局的木星冰卫星探测器任务，于4月发射，美国宇航局的欧罗巴快船任务，于2024年10月发射。美国宇航局的蜻蜓任务将于2026年发射到土星的卫星泰坦。了解这些任务将会遇到什么化学物质将有助于更好地确定他们寻找生命信号的目标。
“除了地球，这些是唯一一个液态水在地质时间尺度上稳定的行星体，这对生命的出现和发展至关重要，”Journaux说。“在我看来，它们是我们太阳系中发现外星生命的最佳地点，因此我们需要研究它们奇特的海洋和内部，以更好地了解它们是如何形成、进化并能在太阳系寒冷地区保留液态水的，距离太阳如此之远。”
