水科普丨首次观测到！水还有这样的奇异形态
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—朗之万研究所内的先进中子光谱仪等设施，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。