科学家发现第21种冰相：水的固态形式远比想象复杂

11月8日最新消息，科技媒体phys在10月10日发布的研究报告指出，水的固态形式远比我们此前认知的更为复杂。由韩国标准与科学研究院（KRISS）主导的国际科研团队宣布发现了第21种冰相（Ice phase），并将其命名为"冰XXI"。

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在常规大气压下，我们熟知的冰是唯一能够稳定存在的固态水，通常在零摄氏度以下才会结冰。而KRISS团队的最新发现彻底颠覆了这一认知，他们证实除了温度之外，极端压力同样是改变水分子排列方式、促使水结晶成冰的关键因素。这一突破不仅拓展了人类对水分子行为的理解维度，更标志着材料科学领域取得了重要进展。

实际上通过精确调控温度与压力参数，科学家能够迫使水分子以不同方式堆叠，形成结构各异的晶体。这些在分子排列上存在明显差异的固态结构，被学界统称为"冰相"。

在过去近百年的研究中，科学界已经识别出至少20种不同的冰相。这次"冰XXI"的发现，使得这个特殊"家族"的成员数量增加至21个，进一步揭示了水这种地球上最常见物质不为人知的复杂性。

成功制备"冰XXI"的关键在于一项名为"动态金刚石压砧（dDAC）"的前沿技术。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）的巨压，这相当于近2万倍地球表面的大气压。

这种快速而精准的压缩方式，有效避免了加压过程中产生不必要的结晶，促使水分子形成了一种前所未见的、结构更为复杂的晶体形态，也就是"冰XXI"。

为了捕捉这个转瞬即逝的变化过程，研究团队使用了欧洲XFEL的超快X射线脉冲，其功能堪比一台能够以每秒百万帧速度拍摄的超高速摄像机。

在仅持续10毫秒的加压和1秒的减压循环中，X射线激光以微秒级间隔记录下水分子结构的变化，清晰制作出冰XXI形成过程的分子运动轨迹。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具有独特的四方晶体结构，其重复单元（即晶胞）异常庞大，这与所有已知的冰相都截然不同。研究人员指出，液态水在超高压下会结晶成何种结构，取决于其被"压缩"的程度。这一发现表明，水的结晶路径比之前设想的要复杂得多，可能还存在更多未知的高温亚稳态冰相。

参考资料

Multiple freezing–melting pathways of high-density ice through ice XXI phase at room temperature