新型“异形冰”可在常温下形成

我们通常认为冰只是冷却的水，简单、坚硬且寒冷。但水其实是一种“伪装大师”，虽然只由氢和氧两个原子组成，却能结成超过20种不同类型的冰，每种冰都有独特的内部结构。有些冰形态光滑、熟悉，比如家用冰箱里的普通冰块；而在地球深部或遥远的卫星等高压环境下，还会出现一些奇特的“冰相”。

科学家们一个多世纪以来一直在探索这些神秘的冰类型，不只是出于好奇，更为了了解水在极端条件下的行为，包括在外星生命可能存在的地方的表现。

此前的研究发现了如冰XIX等新型冰，这种冰的氧原子排列方式与冰XV相同，但氢原子的排列方式不同。还有一种被称为冰VIIt的新冰相，主要出现在地球地幔深处或富含水的系外行星，后来被归为已知的冰X。

最近，韩国标准科学研究院（KRISS）的科学家们又发现了一种全新的冰：官方命名为冰XXI，其结构迥异于以往任何已知类型。

他们利用金刚石砧和X射线激光联合搭建的强大实验装置，观察了在常温下极度压缩的水的表现。出乎意料的是，水在该压力区间内并不是直接冻成冰，而是经历了多次冻结—融化循环，最终在冰VI典型的压力区域内诞生了冰XXI。

冰XXI有何特别之处？它具备独特的原子结构，明显区别于目前已知的20余种冰型。更重要的是，它表现出“亚稳态”，即在原本不稳定的环境下仍能短暂存在，给研究者提供了观测冰在高压下形成过程的机会。这一发现有望帮助科学家理解冰封星球与地球深部的物质环境。

KRISS的科学家Geun Woo Lee解释：“快速压缩水能让其在应当已经转为冰VI的更高压力下仍保持液态。”

研究团队利用金刚石砧创造高压，对极纯净的水样进行实验，并采用高速相机、激光传感器和实时监控设备，在常温下观测冰的冻结与熔化过程。通过调节压力、捕捉结构转变，并用拉曼光谱分析水分子内部的变化，记录了水结冰的每一瞬间。微型红宝石晶体的荧光则用于精确测量压力。

科学家还利用同步辐射的强大X射线束，并结合高精度探测器与分析程序，观察水结成“异形冰”的确切时刻。为了更贴合冰的冻结节奏，压力被调成不规则的三角形节拍进行施加。两个类型的探测器分别以每秒56万次和每秒10次的速度同步捕捉实验数据，得以描绘出水转化为冰的“隐藏之舞”。

分子动力学模拟采用了SPCfw和TIP4P/Ice两种模型。TIP4P/Ice代表刚性水分子，角度和键长基本不变，很适用于高压冰的研究；SPCfw模型则更加柔韧，能模拟极端高压下分子间的氢键弯曲和拉伸。两者模拟趋势基本一致，也与实验结果相符。

在极度压缩的常温水中，科学家发现水并非以单一步骤冻结，而是经历多次冰—水循环，最终转变为已知的冰VI。在该压力（约1.6GPa）区间内，他们发现了冰XXI，其晶体结构为体心四方型。

冰XXI非常特殊：虽然其能量比常温下的MS-冰VII更高，稳定性较低，但差距并不大。更有意思的是只有冰XXI能转化为MS-冰VII，普通水却无法直接完成该转变。不过，如果水和MS-冰VII混合，两者能在高压下转变为冰VI。

通过欧洲XFEL的强大X射线激光，科学家发现水在冻结时至少存在五种不同的发展途径，哪怕在常温下。

Geun Woo Lee指出，“借助欧洲XFEL独特的X射线脉冲，我们揭示了H2O在快速压缩和解压超过一千次过程中可出现多种结晶路径。”

研究团队成员Rachel Husband补充道，“这些发现表明高温亚稳态冰相及其转化路径或远超以往认知，有望为我们了解冰封卫星的物质结构带来新的启示。”

相关研究已发表于《Nature Materials》。