首次观测到！水还有这样的奇异形态
首次观测到！水还有这样的奇异形态
水是地球上最常见的化合物之一，它不仅在常温下以液态、固态和气态存在，还在极端条件下展现出更多奇异形态。近日，一个国际科研团队首次观测到水的一种全新形态——"塑性冰七"，这一发现为人类探索宇宙中的冰卫星和冰行星提供了新的视角。
自然水循环过程 图片源自中国水科院水资源所
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。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。
- 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。
木卫三图片源自NASA
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
- 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"。
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。
本文原文来自科技日报