水科普丨首次观测到！水还有这样的奇异形态

据科技日报消息

一个国际科研团队

借助位于法国劳厄—朗之万研究所内

先进的中子光谱仪等设施

首次观测到水的奇异形态

“塑性冰七”（Plastic ice Ⅶ）

相关论文发表于最新一期《自然》杂志

水还有多种形态？

水是地球上最常见的化合物之一

它源自地球的水循环过程

水在地球生态系统中

扮演着不可替代的角色

同时也为人类生活

提供了必需的支持和资源

自然水循环过程 图片源自中国水科院水资源所

水可以在不同的温度和

压力条件下相互转化

表现出不同的形态和性质

一般而言

水有固态、液态和气态3种基本形态

液态水是我们日常所熟知的

它是水在常温下的状态

用于饮用、洗涤、灌溉等方面

江河湖泊的水大多数时间

都是以液态形式存在的

固态水是指水凝固形成的冰

通常在低温下出现

如冬季结冰的湖面、河流以及冰川等

气态水是水的蒸气形态

当水受热后蒸发成气体

可以形成云、雾、雨等自然现象

但实际上

水还拥有更多形态

其中一些仅在高温高压下出现

被称为奇异态

这次观测到的塑性冰七

便是水少为人知的奇异形态之一

15年前

科学家借助分子动力学模拟

预测了“塑性冰七”的存在

而此次研究则首次

通过实验观测到了这一形态

这种形态不同于普通的冰

是水在极端高压和特殊温度条件下

形成的高压冰相

它能够展现出类似塑料的柔韧性

兼具固态和液态的特性

在“塑性冰七”内

水分子形成刚性立方晶格

就像在“冰七”

（一种立方结晶冰形，

降至室温后可在3GPa以上

由液态水形成）内一样

但同时又表现出液态水内的皮秒旋转运动

这种奇特形态

出现在177℃—327℃高温

0.1GPa—6GPa

（1GPa=10亿帕）

的压力环境下

观察到“冰7”的钻石 图片源自中科院物理所

研究团队通过

准弹性中子散射（QENS）技术

识别出了水在温度和压力发生变化时

呈现出的3种不同形态

水分子同时存在平移和旋转

两种运动的液态水

平移和旋转都被冻结的固态冰

以及位于中间的“塑性冰七”

在“塑性冰七”内

排列成有序晶体结构的水分子

失去了自由平移的能力

但保留了旋转能力

进一步分析表明

“塑性冰七”的分子动力学

可能比最初模拟的更复杂

其分子旋转机制

不同于此前预测的自由转子行为

而且

水从“冰七”到“塑性冰七”

的转变是连续的

这意味着“塑性冰七”

可能是另一种在更高温度和压力下

存在的超离子态的“前身”

木卫三 图片源自NASA

研究水的塑性态和超离子态

能帮助人们进一步理解

木卫三、木卫四等冰卫星

以及天王星、海王星等冰行星的

内部结构和冰川流动

目前

塑性冰七的相关研究仍处于探索阶段

期待这种神奇形态的水

未来能够在新材料领域大放异彩