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IT之家 5分钟前

水的固态形式比我们想象的复杂,第 21 种冰相被发现

IT 之家 11 月 8 日消息,科技媒体 phys 于 10 月 10 日发布博文,报道称水的固态形式远比我们想象的复杂。由韩国标准与科学研究院(KRISS)领导的国际团队宣布发现了第 21 种冰相(Ice phase),并将其命名为 " 冰 XXI"。

在标准大气压下,我们熟悉的冰是唯一的固态水,只有在 0 ° C 以下才会结冰。KRISS 主导的国际科研团队颠覆了这一认知,证明除了温度,极端压力也是改变水分子结构、使其结晶成冰的关键因素。这一突破不仅为我们对水的理解增添了新的维度,也标志着人类在材料科学领域的又一重要进展。

韩国科学技术研究所 ( KRISS ) 研究团队用于产生超压缩状态的动态金刚石压砧内部(可以看到一对金刚石压砧)

实际上通过调整温度和压力,科学家可以迫使水分子以不同的方式堆叠,形成结构各异的晶体,这些不同的固态结构被称为 " 冰相 "。

在过去一个世纪里,科学界已经识别出至少 20 种不同的冰相。" 冰 XXI" 的发现,使这个独特的 " 家族 " 成员数量增加到了 21 个,进一步揭示了水这种地球上最常见物质的复杂与神奇。

创造 " 冰 XXI" 的关键在于一项名为 " 动态金刚石压砧(dDAC)" 的尖端技术。与传统设备缓慢加压的方式不同,dDAC 能在短短 10 毫秒内,对水样品施加高达 2 吉帕(GPa)的巨大压力,这相当于近 2 万倍的地球表面大气压。

这种快速而精确的压缩方式,避免了在加压过程中出现不必要的结晶,从而迫使水分子形成了一种前所未见的、结构更复杂的晶体形态,也就是 " 冰 XXI"。

为了捕捉这一瞬息万变的过程,团队使用了欧洲 XFEL 的超快 X 射线脉冲,其功能类似于一架能以每秒百万帧速度拍摄的超级摄像机。

欧洲 XFEL

在仅 10 毫秒的加压和 1 秒的减压循环中,X 射线激光以微秒级的间隔记录下水分子的结构变化,清晰地制作出冰 XXI 形成的 " 分子电影 "。后续在 PETRA III 光束线上的实验则精确测定了其晶体结构。

分析结果显示,冰 XXI 具有一种独特的四方晶体结构,其重复单元(即晶胞)异常巨大,这与所有已知的冰相都截然不同。研究人员指出,液态水在超高压下结晶成何种结构,取决于其被 " 过压缩 " 的程度。这一发现表明,水的结晶路径比之前预想的要复杂得多,可能存在更多未知的高温亚稳态冰相。

IT 之家附上参考地址

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