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。

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