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发现奇异四面结构的第19种水冰,刷新人们的传统认知
新浪科技 / 时间:2021-03-12 09:42:50

北京时间3月12日消息,目前,科学家确定了第19种形式的水冰物质,这种稀有冰的奇异四面晶体现被称为“冰19”,是在超低温和超高压条件下形成的。冰19仅存在于实验室,但研究人员表示,该物质揭晓了更多关于其他形式的冰,这些冰可以在地幔深处以及非常冰冷的行星和卫星表面获得。

该项研究负责人、奥地利因斯布鲁克大学物理化学教授托马斯·洛尔汀称,要对一种新冰形式进行命名,大家需要确切说明它的晶体结构,这意味着要找出最简单的晶体重复结构,所有原子位于该结构何处位置,以及该晶体结构对称性是什么样的?只有了解以上全部情况,大家才能对该冰晶体命名,现在大家将它命名为冰19。

2月18日,洛尔汀和同事在《自然通讯杂志》上发表研究报告描述了这种新形式冰结构,与此同时,日本研究人员也进行研究证实了该发现。

新冰形式

几乎每个人都熟悉美丽的六面雪花,它们反映了形成水冰晶体中氧子的六边形排列,但规则的六面冰晶——“冰1”,实际上仅是多种冰形态之一,它被称为多晶型,直到近期,人们才正式确认了18种不同形态的水冰,尽管在地球上仅有六面冰是常见的,虽然冰看起来很简单,但它是复杂的结构。例如:在六面冰晶水分子中,仅有氧原子能形成六面冰晶结构,这使“冰1”在冰术语中成为“无序”或者“被破坏”的冰晶,这种无序冰的特性之一是它们在压力下可以变形,这就是冰川流动的原因。

相比之下,冰的其他几种形态中的氢原子也有自己的晶体模式,它们被称为“氢序”或者H序,与无序冰晶不同的是,H序非常脆,会碎裂,而不是变形。

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这是冰6的模型,红色和蓝色的大球体代表氧原子,小球体代表氢原子。

在这些条件下,最新发现的冰19形式上是“H序”冰晶,事实上,这是一种无序冰的H序形式,也被称为“冰6”,它存在随机类型的氢原子,冰6还有另一种H序多形性——“冰15”,它的氢原子排列完全不同。

洛尔汀说:“冰6、冰15和冰19在密度方面都非常相似,因为它们共享相同的氧原子网络,但它们在氢原子的位置上却不相同,这是首次发现冰的多晶型之间存在这样的关系,它可以使实验结果在两种形态之间实现转换。”

晶体结构

洛尔汀的研究团队在3年前的实验中首次制造出冰19,通过将冰15冷却降低至零下170摄氏度,并将压力大幅提高至2吉帕斯卡。但他们对冰晶结构的细节一无所知,直到他们能够通过一种叫做中子衍射的过程进行分析,该过程可以通过反射中子流来揭示材料的原子结构,并检查由此产生的衍射图样。

在正常情况下,中子衍射需要用含有额外中子的重水,来取代样本中的水,但洛尔汀表示,纯重水不适合冰19实验,因为它冻结的速度要慢很多,这一突破是在重水中加入一小部分普通轻水,产生的水可以迅速冻结,但仍然允许中子衍射。

洛尔汀说明称,水冰结构是研究氢键自然属性的关键,这一点大家还没有完全理解,这对于了解宇宙天体也是至关重要的,例如:体积庞大的冰巨星天王星和海王星,以及木卫二、木卫一和木卫三,在这里或将发现其他冰晶形态。

在天体物理学中,洞察冰相的密度和属性,理解这些地外天体的冰地幔或者冰核的结构特征,是非常有趣的事情。

当前还有许多冰的多晶型结构,冰19将成为奥地利因斯布鲁克大学自上世纪80年代以来发现的第6种冰多晶型,洛尔汀希翼和研究团队未来能发现新的水冰形式,他说:“寻找冰20的竞赛现已拉开帷幕,我希翼我的研究小组能够发表最新发现!”


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