冰的奇妙世界：超过20种形态的探索之旅 | 科到了

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中科院物理所

2024-04-10 11:09发布于北京中科院物理所官方账号

作者：卢达标 | 中国科学院大学

培养单位：中国科学院物理研究所

审核：潘昭 | 中国科学院物理研究所副研究员

在我们生活的这个宇宙中，冰的存在是普遍而神秘的。从太阳系的内行星和彗星的两极，到遥远的气态巨行星和矮行星的卫星，冰无处不在。而在我们脚下的地球，水结成“普通冰”是最常见的相变之一，每当冬季来临，雪花飘落，那是一场令人难忘的自然盛宴。
然而，在科学的显微镜下，冰并非我们所见的那么简单。它是一种高度复杂的材料，一直是材料科学研究的前沿。例如，为了揭示生物体内如何抑制冰的形成，Jacques Dubochet发展了冷冻电子显微镜技术，这一突破性的研究使他荣获了2017年的诺贝尔化学奖。
人类对冰的探索始于20世纪早期。Bridgman利用高压技术，首次揭示了5种不同形态的冰。自那以后，科学家们在这一领域进行了深入的研究，截至目前，已经发现了超过20种不同形态的冰。这些冰按照被发现的顺序，被命名为“冰1”至“冰19”。
细心的小伙伴可能发现了，“冰1”至“冰19”只有19个名字，但冰的形态却超过了20种。这是因为某些名字涵盖了多种形态。以“冰1”为例，它实际上包含了两种不同的形态，分别是“冰1h”和“冰1c”。其中，“冰1h”是最常见的“普通冰”，其结构为六方结构(Hexagonal)。而“冰1c”则是立方冰，其结构为立方结构(Cubic)。
冰的部分相图与结构|图源：参考文献1

立方冰

在春夏季节，偶尔会出现日晕现象，这是由于日光通过卷层云时，受到冰晶的折射或反射而形成的。普通冰的结构是六方的，因此日晕半径的视角通常是22度和46度。然而，在极其罕见的情况下，会出现28度的日晕，这被称为Scheiner's halo。其形成的原因就是神秘的立方冰。
2023年，物理所的白雪东研究组揭示了立方冰形成的机制。他们利用原位冷冻电镜等技术，发现立方冰首先在一些异质界面上成核生长。但随着冰晶生长时间的增加，六方冰的占比逐渐增加。因此，虽然自然界常见的降雪大多是水分子在灰尘矿物质等表面的凝聚生长，立方冰可以在这些异质界面出现。但随着冰晶不断长大，这些立方冰就会逐渐转化为最常见的六方冰。
日晕|图源：人民日报

钻石里的“冰7”

去年冬天，北方地区“泼水成冰”的绚丽情景令人印象深刻。“泼水成冰”一般需要温度较高的热水。热水蒸发出的水蒸气迅速凝结成一颗颗小冰晶。那如果要形成一片漂亮的雪花需要多长时间呢？下面的动图展示了Libbrecht教授在实验室生长雪花的过程。这片雪花大概有2.5mm长，而生长的时间为44分钟。如果我们想要让结冰的过程快一些，降低温度当然是一个办法。除此之外，增大压强是另一个更为有效的方法。

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雪花生长的过程|图源：snowcrystals

例如，在压强为3 GPa (1 GPa = 109 Pa)的条件下，水会凝结成“冰7”。这压强大致等于在指甲盖上放上一部小型客机。和普通的冰相比，“冰7”的凝结时间非常短，只需要6纳秒，比Libbrecht教授在实验室生长雪花的时间快了11个量级。

实际上，在地球的地壳深处，就存在着“冰7”。更有意思的是，2018年发表在Science上的一篇文章证明了在一些钻石里面就封存着“冰7”。

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观察到“冰7”的钻石|图源：参考文献4

结冰的火焰：“冰18”

如果继续增大压强到300 GPa，就有可能形成“冰18”。在“冰18”的结构中，巨大的压强导致水分子里面的共价键断裂。氧离子被迫形成面心立方的密堆积结构，而质子（氢离子）则只能位于氧离子的空隙中。而且氢离子能在这些空隙中自由移动，使得“冰18”具有类似于金属的导电性。

“冰18”的导电性意味着它没有带隙，因此“冰18”不像普通的冰一样是透明的。此外，自由移动的氢离子也使得“冰18”具有很高的熔点，在接近3000℃的高温下也仍是固态。这使得“冰18”成为名副其实的“结冰的火焰”。

据NASA航海者2号的研究，天王星这样的冰巨星磁场与地球和其他行星的偶极场有很大不同。这类行星具有奇怪的非轴对称、非偶极磁场。而“冰18”完全可能在这类行星的压力和温度下形成，其特殊的导电性甚至可以解释冰巨星中特殊的磁场。

“结冰的火焰”|图源：51yuansu

更高压力下的冰？

随着科学研究的深入，人类对冰的认识也在不断丰富。从立方冰到钻石里的“冰7”，再到结冰的火焰“冰18”，每一种冰的形态都揭示了冰的神奇和多样性。而关于更高压力下的冰，科学家们仍在不断探索和研究中。我们期待未来能有更多的发现，让我们对这个宇宙中的奇妙物质有更深入的了解。

参考文献：

  1. Christoph G. Salzmann; Advances in the experimental exploration of water’s phase diagram. J. Chem. Phys. 150, 060901 (2019).
  2. Huang, X. et al. Tracking cubic ice at molecular resolution. Nature 617, 86–91 (2023).
  3. O. Tschauner et al. Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle.Science 359,1136-1139(2018).
  4. Millot, M. et al. Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice. Nature 569, 251–255 (2019).

编辑：穆梓