水第四形态“塑性冰七”首次观测到
发布时间: 2025-02-18 09:54:32
科技日报北京2月16日电 （记者刘霞）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）。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。相关论文发表于最新一期《自然》杂志。
图片来源：物理学家组织网
一般而言，水有固态、液态和气态3种基本形态。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。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。
塑性态是一种混合态，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。
准弹性中子散射（QENS）技术在此研究中发挥了关键作用。与其他光谱技术相比，QENS能更精准地探测物体的平移和旋转动力学。通过QENS，团队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”。
在我们的日常生活中，水似乎平平无奇。实际上，它好比一位“多面伊人”，有着许多不寻常的特性。塑性冰七，便是水少为人知的奇异形态之一。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。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。
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