我們通常認為冰只是冷卻的水，簡單、堅硬且寒冷。但水其實是一種“偽裝大師”，雖然只由氫和氧兩個原子組成，卻能結(jié)成超過20種不同類型的冰，每種冰都有獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。有些冰形態(tài)光滑、熟悉，比如家用冰箱里的普通冰塊；而在地球深部或遙遠的衛(wèi)星等高壓環(huán)境下，還會出現(xiàn)一些奇特的“冰相”。

科學(xué)家們一個多世紀以來一直在探索這些神秘的冰類型，不只是出于好奇，更為了了解水在極端條件下的行為，包括在外星生命可能存在的地方的表現(xiàn)。

此前的研究發(fā)現(xiàn)了如冰XIX等新型冰，這種冰的氧原子排列方式與冰XV相同，但氫原子的排列方式不同。還有一種被稱為冰VIIt的新冰相，主要出現(xiàn)在地球地幔深處或富含水的系外行星，后來被歸為已知的冰X。

最近，韓國標準科學(xué)研究院（KRISS）的科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了一種全新的冰：官方命名為冰XXI，其結(jié)構(gòu)迥異于以往任何已知類型。

他們利用金剛石砧和X射線激光聯(lián)合搭建的強大實驗裝置，觀察了在常溫下極度壓縮的水的表現(xiàn)。出乎意料的是，水在該壓力區(qū)間內(nèi)并不是直接凍成冰，而是經(jīng)歷了多次凍結(jié)—融化循環(huán)，最終在冰VI典型的壓力區(qū)域內(nèi)誕生了冰XXI。

冰XXI有何特別之處？它具備獨特的原子結(jié)構(gòu)，明顯區(qū)別于目前已知的20余種冰型。更重要的是，它表現(xiàn)出“亞穩(wěn)態(tài)”，即在原本不穩(wěn)定的環(huán)境下仍能短暫存在，給研究者提供了觀測冰在高壓下形成過程的機會。這一發(fā)現(xiàn)有望幫助科學(xué)家理解冰封星球與地球深部的物質(zhì)環(huán)境。

KRISS的科學(xué)家Geun Woo Lee解釋：“快速壓縮水能讓其在應(yīng)當(dāng)已經(jīng)轉(zhuǎn)為冰VI的更高壓力下仍保持液態(tài)。”

研究團隊利用金剛石砧創(chuàng)造高壓，對極純凈的水樣進行實驗，并采用高速相機、激光傳感器和實時監(jiān)控設(shè)備，在常溫下觀測冰的凍結(jié)與熔化過程。通過調(diào)節(jié)壓力、捕捉結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并用拉曼光譜分析水分子內(nèi)部的變化，記錄了水結(jié)冰的每一瞬間。微型紅寶石晶體的熒光則用于精確測量壓力。

科學(xué)家還利用同步輻射的強大X射線束，并結(jié)合高精度探測器與分析程序，觀察水結(jié)成“異形冰”的確切時刻。為了更貼合冰的凍結(jié)節(jié)奏，壓力被調(diào)成不規(guī)則的三角形節(jié)拍進行施加。兩個類型的探測器分別以每秒56萬次和每秒10次的速度同步捕捉實驗數(shù)據(jù)，得以描繪出水轉(zhuǎn)化為冰的“隱藏之舞”。

分子動力學(xué)模擬采用了SPCfw和TIP4P/Ice兩種模型。TIP4P/Ice代表剛性水分子，角度和鍵長基本不變，很適用于高壓冰的研究；SPCfw模型則更加柔韌，能模擬極端高壓下分子間的氫鍵彎曲和拉伸。兩者模擬趨勢基本一致，也與實驗結(jié)果相符。

在極度壓縮的常溫水中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)水并非以單一步驟凍結(jié)，而是經(jīng)歷多次冰—水循環(huán)，最終轉(zhuǎn)變?yōu)橐阎谋鵙I。在該壓力（約1.6GPa）區(qū)間內(nèi)，他們發(fā)現(xiàn)了冰XXI，其晶體結(jié)構(gòu)為體心四方型。

冰XXI非常特殊：雖然其能量比常溫下的MS-冰VII更高，穩(wěn)定性較低，但差距并不大。更有意思的是只有冰XXI能轉(zhuǎn)化為MS-冰VII，普通水卻無法直接完成該轉(zhuǎn)變。不過，如果水和MS-冰VII混合，兩者能在高壓下轉(zhuǎn)變?yōu)楸鵙I。

通過歐洲XFEL的強大X射線激光，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)水在凍結(jié)時至少存在五種不同的發(fā)展途徑，哪怕在常溫下。

Geun Woo Lee指出，“借助歐洲XFEL獨特的X射線脈沖，我們揭示了H2O在快速壓縮和解壓超過一千次過程中可出現(xiàn)多種結(jié)晶路徑?！?/p>

研究團隊成員Rachel Husband補充道，“這些發(fā)現(xiàn)表明高溫亞穩(wěn)態(tài)冰相及其轉(zhuǎn)化路徑或遠超以往認知，有望為我們了解冰封衛(wèi)星的物質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來新的啟示。”

相關(guān)研究已發(fā)表于《Nature Materials》。