美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家們通過(guò)一項(xiàng)旨在創(chuàng)造超冷水狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)，利用中子散射技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了一條通往意想不到致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(duì)這些被稱(chēng)為冰IX、冰XV和冰VIII特殊結(jié)晶冰晶相的觀察，挑戰(zhàn)了關(guān)于超冷水和非晶冰的公認(rèn)理論。研究人員在《自然》(Nature)上發(fā)表的這一發(fā)現(xiàn)，還將有助于更好地了解在其他行星、衛(wèi)星和太空其他地方發(fā)現(xiàn)的冰及其不同階段。
ORNL中子散射科學(xué)家、第一作者克里斯·圖克(Chris Tulk)說(shuō)：氫和氧是宇宙中最豐富的元素之一，這兩種元素中最簡(jiǎn)單的分子化合物H2O很常見(jiàn)。事實(shí)上，一個(gè)流行的理論表明，地球上的大部分水是通過(guò)與冰彗星的碰撞而來(lái)到地球。在地球上，當(dāng)水分子達(dá)到0攝氏度時(shí)，它們進(jìn)入一個(gè)較低的能量狀態(tài)，并穩(wěn)定在一個(gè)六角形的晶格上。這種凍結(jié)形式被稱(chēng)為冰Ⅲ，是家庭冰柜或溜冰場(chǎng)中最常見(jiàn)的水相。冰IX、冰XV和冰VIII是至少17個(gè)冰相中的3個(gè)。
當(dāng)分子在不同的超低溫和高壓下重組成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，就會(huì)形成冰相。當(dāng)冰發(fā)生相變時(shí)，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(huì)在各種不同的固體形式之間轉(zhuǎn)變。在壓力-溫度穩(wěn)定范圍內(nèi)，每個(gè)已知的冰相都有其獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)，分子達(dá)到平衡，水分子呈現(xiàn)規(guī)則的三維格局，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。起初，Tulk和加拿大國(guó)家研究委員會(huì)和加州大學(xué)洛杉磯分校的同事們正在探索非晶冰的結(jié)構(gòu)本質(zhì)，當(dāng)它在更高的壓力下再結(jié)晶時(shí)。為了制造無(wú)定形冰，科學(xué)家們將水冷凍到一個(gè)高壓設(shè)備中
該設(shè)備被冷卻到- 173攝氏度，并被加壓到大約10000個(gè)大氣壓，即每平方英寸14.7萬(wàn)磅(汽車(chē)輪胎膨脹到每平方英寸32磅)。這種非晶態(tài)冰被認(rèn)為與液態(tài)水有關(guān)，了解這種聯(lián)系是這項(xiàng)研究的初衷。在ORNL的散裂中子源，研究小組凍結(jié)了一個(gè)3毫米的球體，約半滴水，氘化水，其中有一個(gè)額外的中子在氫核中，需要中子散射分析。然后將散裂中子和壓力(SNAP)衍射儀的程序設(shè)置為零下173攝氏度。該儀器每隔幾小時(shí)就會(huì)逐步增加壓力，最高可達(dá)每平方英寸41.1萬(wàn)磅(合2.8萬(wàn)個(gè)大氣壓)
同時(shí)在每次壓力升高之間收集中子散射數(shù)據(jù)。一旦獲得了非晶態(tài)冰，計(jì)劃提高溫度和壓力，觀察非晶態(tài)冰‘融化’成過(guò)冷液體，然后再重新結(jié)晶時(shí)的局部分子順序?！痹诜治隽藬?shù)據(jù)之后，驚奇地發(fā)現(xiàn)，并沒(méi)有創(chuàng)造出無(wú)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(jīng)歷的一系列晶體轉(zhuǎn)變，根本沒(méi)有無(wú)定形冰的跡象。來(lái)自加拿大國(guó)家研究委員會(huì)(National Research Council of Canada)的丹尼斯·克魯格(Dennis Klug)說(shuō)：
我一直通過(guò)在低溫下壓縮冰來(lái)制作這些樣品，以前從未見(jiàn)過(guò)這種壓力-溫度路徑導(dǎo)致了一系列這樣的結(jié)晶形態(tài)。如果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是正確的，這將意味著非晶冰與液態(tài)水無(wú)關(guān)，而是兩個(gè)晶態(tài)之間的不連續(xù)轉(zhuǎn)變，這與廣泛接受的理論大相徑庭。起初，研究小組認(rèn)為觀察結(jié)果是受污染的樣本。在SNAP上，又進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)，使用新鮮、經(jīng)過(guò)仔細(xì)處理的樣品，得到了相同的結(jié)果，在沒(méi)有形成無(wú)定形冰的情況下，再次確認(rèn)了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的順序。
關(guān)鍵是緩慢的壓力增加速度和在較低壓力下收集的數(shù)據(jù)，使冰結(jié)構(gòu)放松，成為穩(wěn)定的冰IX形式。之前的實(shí)驗(yàn)快速通過(guò)了冰IX結(jié)構(gòu)而沒(méi)有弛豫，這導(dǎo)致了非晶態(tài)相。35年來(lái)科學(xué)家們一直在研究超冷水的特性，尋找第二個(gè)臨界點(diǎn)，也就是埋藏在固態(tài)冰中的臨界點(diǎn)。但這些結(jié)果質(zhì)疑了它的存在。壓力引起的非晶冰和水之間的關(guān)系現(xiàn)在還不確定，第二個(gè)臨界點(diǎn)甚至可能不存在。研究結(jié)果將為將來(lái)在SNS進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中分析非晶冰相的研究奠定基礎(chǔ)。
博科園｜研究/來(lái)自：橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
參考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-019-1204-5
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