木星的卫星之一木卫二表面的红色条纹纵横交错，非常引人注目。科学家们怀疑它是水和盐的冷冻混合物，但是它的化学特征是神秘的，因为它与地球上的任何已知物质都不匹配。由华盛顿大学领导的一个研究小组可能已经解决了这个难题，他们发现了一种新型的固体晶体，当水和食盐在寒冷和高压条件下结合时形成。

研究人员认为，在地球上的一个实验室中创造的这种新物质可能在这些世界的深海表面和底部形成。

这项研究于2月20日发表在《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。

这张卫星图像显示了木星最大的卫星木卫三的表面上的白色条纹。新类型的咸冰的发现可以解释这些条纹中的物质，并提供关于木卫二冰雪覆盖的海洋的组成的线索。资料来源：NASA/JPL/JUNO

主要作者、华盛顿大学地球和空间科学代理助理教授Baptiste Journaux说："现在在科学上有基本的发现是很罕见的。在地球条件下，盐和水是非常常见的。现在我们发现的一些行星当中可能同样有我们非常熟悉的化合物，但在非常奇特的条件下，我们必须重新进行人们在19世纪所做的所有基本的矿物学研究。"

在寒冷的温度下，水和盐结合形成一个刚性的盐化冰晶格，被称为水合物，通过氢键固定在那里。以前唯一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。

但是在中等压力和低温下发现的这两种新的水合物是惊人的不同。一个是每17个水分子有两个氯化钠；另一个是每13个水分子有一个氯化钠。这将解释为什么来自木星卫星表面的特征比预期的更"水"。"它具有行星科学家一直在等待的结构，"Journaux说。

新的晶体结构

研究人员发现了两种由水和食盐在低温下（低于约零下50摄氏度）形成的新晶体。已知的结构（左）有一个盐分子（黄色和绿色的球）对两个水分子（红色和粉色的球）。X射线成像让研究人员确定了新结构中单个原子的位置。中间的结构每17个水分子有两个氯化钠分子，即使压力下降到接近真空，也能保持稳定，就像在月球表面那样。右边的结构是每13个水分子有一个氯化钠分子，只有在高压下才是稳定的。资料来源：Baptiste Journaux/华盛顿大学

Journaux说，新型咸冰的发现不仅对行星科学有重要意义，而且对物理化学甚至能源研究也有重要意义，因为能源研究利用水合物来储存能量。

该实验涉及在两颗沙粒大小的钻石之间压缩一小部分咸水，将液体挤压到标准大气压力的25000倍。透明的钻石使研究小组能够通过显微镜观察这一过程。

巴普蒂斯特说："我们试图测量加入盐会如何改变我们能得到的冰的数量，因为盐起到了防冻的作用。令人惊讶的是，当我们施加压力时，我们看到的是，这些我们没有想到的晶体开始生长。这是一个非常偶然的发现。"

在实验室中创造的这种寒冷的高压条件在木星的卫星上是很常见的，科学家们认为在那里5到10公里的冰会覆盖厚达几百公里的海洋，甚至在底部可能有更密集的冰。

Journaux说："压力只是让分子更接近，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动力。"

新发现的水合物形成后，两种结构中的一种即使在压力被释放后也保持稳定。Journaux说："我们确定它在标准压力下保持稳定，直到约零下50摄氏度。因此，如果你有一个非常多盐的湖，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。"

这张图片显示了新发现的水合物，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，但在寒冷的低压条件下保持稳定。资料来源：Journaux等人/PNAS

研究小组希望制作或收集更大的样本，以便进行更彻底的分析，并验证来自冰冷的卫星的特征是否与新发现的水合物的特征相符。

两个即将到来的航天任务将探索木星的冰冷卫星。欧洲航天局的木星冰冷卫星探索任务将于4月发射，美国宇航局的木卫二任务将于2024年10月发射。美国宇航局的蜻蜓任务于2026年发射到土卫六。了解这些任务将遇到哪些化学物质，将有助于更好地锁定他们寻找生命的特征。

Journaux说："除了地球之外，这些是唯一在地质时间尺度上液态水稳定的行星体，这对于生命的出现和发展至关重要。在我看来，它们是我们太阳系中发现地外生命的最佳地点，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、演变并能在太阳系的寒冷地区、远离太阳的地方保留液态水。"