美國能源部橡樹嶺國家實驗室科學家們通過一項旨在創造超冷水狀態的實驗，利用中子散射技術，發現了一條通往意想不到緻密冰晶相形成的途徑，這些冰晶相的存在超出了地球極限。對這些被稱為冰IX、冰XV和冰VIII特殊結晶冰晶相的觀察，挑戰了關於超冷水和非晶冰的公認理論。研究人員在《自然》(Nature)上發表的這一發現，還將有助於更好地瞭解在其他行星、衛星和太空其他地方發現的冰及其不同階段。
ORNL中子散射科學家、第一作者克里斯·圖克(Chris Tulk)說：氫和氧是宇宙中最豐富的元素之一，這兩種元素中最簡單的分子化合物H2O很常見。事實上，一個流行的理論表明，地球上的大部分水是通過與冰彗星的碰撞而來到地球。在地球上，當水分子達到0攝氏度時，它們進入一個較低的能量狀態，並穩定在一個六角形的晶格上。這種凍結形式被稱為冰Ⅲ，是家庭冰櫃或溜冰場中最常見的水相。冰IX、冰XV和冰VIII是至少17個冰相中的3個。
當分子在不同的超低溫和高壓下重組成穩定的晶體結構時，就會形成冰相。當冰發生相變時，它就像水從氣體變成液體變成固體一樣，除了在低溫和高壓下，冰會在各種不同的固體形式之間轉變。在壓力-溫度穩定範圍內，每個已知的冰相都有其獨特晶體結構，分子達到平衡，水分子呈現規則的三維格局，結構趨於穩定。起初，Tulk和加拿大國家研究委員會和加州大學洛杉磯分校的同事們正在探索非晶冰的結構本質，當它在更高的壓力下再結晶時。為了製造無定形冰，科學家們將水冷凍到一個高壓設備中
該設備被冷卻到- 173攝氏度，並被加壓到大約10000個大氣壓，即每平方英寸14.7萬磅(汽車輪胎膨脹到每平方英寸32磅)。這種非晶態冰被認為與液態水有關，瞭解這種聯繫是這項研究的初衷。在ORNL的散裂中子源，研究小組凍結了一個3毫米的球體，約半滴水，氘化水，其中有一個額外的中子在氫核中，需要中子散射分析。然後將散裂中子和壓力(SNAP)衍射儀的程序設置為零下173攝氏度。該儀器每隔幾小時就會逐步增加壓力，最高可達每平方英寸41.1萬磅(合2.8萬個大氣壓)
同時在每次壓力升高之間收集中子散射數據。一旦獲得了非晶態冰，計劃提高溫度和壓力，觀察非晶態冰‘融化’成過冷液體，然後再重新結晶時的局部分子順序。”在分析了數據之後，驚奇地發現，並沒有創造出無定形的冰，而是由密度不斷增加的四種冰相(從冰Ih到IX冰，從XV冰到XIII冰)所經歷的一系列晶體轉變，根本沒有無定形冰的跡象。來自加拿大國家研究委員會(National Research Council of Canada)的丹尼斯·克魯格(Dennis Klug)說：
我一直通過在低溫下壓縮冰來製作這些樣品，以前從未見過這種壓力-溫度路徑導致了一系列這樣的結晶形態。如果實驗數據是正確的，這將意味著非晶冰與液態水無關，而是兩個晶態之間的不連續轉變，這與廣泛接受的理論大相徑庭。起初，研究小組認為觀察結果是受汙染的樣本。在SNAP上，又進行了三次實驗，使用新鮮、經過仔細處理的樣品，得到了相同的結果，在沒有形成無定形冰的情況下，再次確認了結構轉變的順序。
關鍵是緩慢的壓力增加速度和在較低壓力下收集的數據，使冰結構放鬆，成為穩定的冰IX形式。之前的實驗快速通過了冰IX結構而沒有弛豫，這導致了非晶態相。35年來科學家們一直在研究超冷水的特性，尋找第二個臨界點，也就是埋藏在固態冰中的臨界點。但這些結果質疑了它的存在。壓力引起的非晶冰和水之間的關係現在還不確定，第二個臨界點甚至可能不存在。研究結果將為將來在SNS進行的實驗中分析非晶冰相的研究奠定基礎。
博科園｜研究/來自：橡樹嶺國家實驗室
參考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-019-1204-5
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