科學家發現新型室溫冰相！高壓條件榨出亞穩態結構「冰 XXI」

日常生活經驗告訴我們，冰就是凍結成固態的水，零度以下環境形成，但在物理學領域，「冰」泛指水分子於不同溫度、壓力條件以不同方式排列的晶體結構，目前已知超過 20 種冰相。最近，韓國標準科學研究院（KRISS）團隊於室溫極端壓力條件發現一種新型冰，稱為「冰 XXI」。

冰僅由水分子組成，但只要暴露於不同溫度和壓力條件，水分子就因排列方式不同而出現 20 多種固體形式/相，學術上以羅馬數字標記不同結構的冰，從冰 I、冰 II、冰 III……到冰 XVI、密度極低的冰 XVII、超離子冰 XVIII、冰 XIX、冰 0 等。

其中 冰 I 是日常生活（飲料冰塊、雪花、冰山等）最常見冰類型，其分子結構為六角形晶格，因此又稱六方冰，是地球表面與大氣層自然生成的唯一冰型。

冰 XVIII 為科學家 2019 年確認的第 18 種冰晶體，只能在極端高溫高壓條件下形成，屬於超離子冰，可能大量存於冰巨行星。

冰 XIX 則為科學家 2021 年確認的第 19 種冰晶體，形成方式為緩慢冷卻冰 XV，過程逐漸加壓至 2 GPa 以上，讓氫原子在氧原子晶格排列而形成，其氧原子空間結構與冰 XV、冰 VI 高度相似，但氫原子排列方式不同，故被科學家稱為「冰兄弟」。

冰 0 為日本研究人員 2024 年發現的不尋常冰形式，能在水滴表面而非核心啟動冰的成核過程，可作為冰 I 前驅物，一旦開始結晶，類似冰 0 的結構就會迅速重新排列成我們熟悉的冰 I。

最新發現的冰晶類型

近日，韓國標準科學研究院（KRISS）團隊於 2GPa 與 25℃ 室溫條件使水分子排列組合成一種全新結構，命名「冰 XXI」，這種冰具四方晶體結構，且每個單位晶胞（Unit cell）都包含 152 個水分子，與之前觀察到的所有冰相都不同。

確切來說，研究團隊將微小水珠樣品置於特殊設計的鑽石砧之間，10 毫秒內對水滴瞬間施加 2GPa 極端壓力（標準大氣壓 2 萬倍），再於 1 秒內緩慢減壓，重複此過程並以 X 光攝影觀察晶體結構變化，發現短短幾奈秒內水分子被迫重組，誕生一種全新、高度有序的晶體結構──冰 XXI。

研究人員解釋，冰 XXI 在室溫下也能形成，但分子比普通冰更緊密堆積；此外，冰 XXI 是形成奇異冰 VI 的路徑之一，在轉化為冰 VI 之前先以亞穩態結構冰 XXI 形式出現，介於兩種相態之間的微妙平衡，就算相同條件下有另一種更穩定的冰形態，冰 XXI 也依然能維持一段時間。

這項研究表明，可能還存在更多高溫亞穩態冰相及相關轉變途徑，進一步研究或能帶來對冰衛星（如土衛六、木衛三）組成的見解。

新論文發表在《自然材料》（Nature Materials）期刊。

• How Scientists Turned Water Into Ice at Room Temperature
• Scientists Discover a New Form of Ice That Shouldn’t Exist
• Ice That Freezes at Room Temperature Discovered in X-Ray Laser Experiment
• Ice XXI: Scientists use X-ray laser to identify new room-temperature phase

（首圖為示意圖，來源：pixabay）

延伸閱讀：

• 發現第 18 種冰晶結構「超離子冰」
• 再加一種，科學家確認冰的第 19 種晶體形式
• 新的不尋常冰形式，揭開背後冰成核物理機制