再加一種,科學家確認冰的第 19 種晶體形式

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 17 日 13:59 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


由於原子在材料中的排列方式不同,光是冰就有高達十幾種獨特晶體結構。繼在超高壓下出現的超離子冰 XVIII 後,最近科學家再確認了冰的第 19 種晶體形式,命名為冰 XIX。

冰在太陽系中的含量非常豐富,從最接近太陽的水星到離太陽極遠的歐特雲(Oort cloud)都有冰的存在,只不過隨著環境壓力與溫度變化,冰也會因氧原子、氫原子和水分子的排列方式不同而呈現各種結構,幾乎所有在地球表面和大氣層裡的冰都是六角形晶體結構——水分子中只有氧原子形成六邊形,氫原子則圍繞它們隨機取向,也就是無序結構;此外,地表只會產生微量的立方體形冰。

從冰 I、冰 II、冰 III 一直到冰 XVIII,過去科學家已確認冰的 18 種結構,其中冰 I 類型是我們最熟悉的冰,也是唯一可在地球表面上找到自然生成的冰,其餘結晶類型如 Ice-VI、Ice-VII 等被深深鎖在地函中,隨著時間推移才被緩慢推上來。

不過如果實驗方向正確,氫原子也可以規律排列,比如在低於 200℃ 溫度時可能形成冰 XI 類型,這種有序結構又被稱為 H 序冰,但與無序冰不同,H 序冰非常脆。

而最近,奧地利因斯布魯克大學團隊發現的第 19 種冰晶類型就屬於 H 序冰,從密度來看,六號冰、十五號冰及十九號冰非常接近,它們的氧原子網格架構一樣,但氫原子位置有所不同。

其實研究團隊在 3 年前的實驗就製造出冰 XIX,方法是減慢冰 XV 的冷卻過程,並將環境壓力增加至約 2 GPa,讓氫原子以第二種方式在氧晶格中排列並形成冰 XIX,然而當時團隊儘管握有明確證據,卻無法闡明其晶體結構,直到最新研究利用中子衍射技術,才從眼花撩亂的數千個候選晶體中確認新的冰晶結構。

由於科學家對氫鍵性質的認知尚不完善,因此水冰結構是理解氫鍵性質的關鍵,進一步能夠了解其他天體的冰晶與行為,比如天王星、海王星、木星衛星等。

新論文發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊。

(首圖來源:因斯布魯克大學

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