科学家发现“冰19” 刷新人们的传统认知

冰19只存在于实验室,但研究人员表示,该物质透露了更多其他形式的冰。这些冰可以在地板深处和非常冷的行星和卫星表面得到

 目前,科学家确定了第19种形式的水冰物质,这种稀有冰奇异的四面晶体被称为冰19,是在超低温和超高压条件下形成的。冰19只存在于实验室,但研究人员表示,该物质透露了更多其他形式的冰。这些冰可以在地板深处和非常冷的行星和卫星表面得到。


  该研究负责人、奥地利因斯布鲁克大学物理化学教授托马斯洛尔汀表示,要命名新的冰形式,必须正确说明其晶体结构。这意味着找到最简单的晶体重复结构,所有的原子都在这个结构的哪里,这个晶体结构的对称性是什么样的?只有了解了以上的全部情况,才能给冰晶起名,现在给冰19起名。


  2月18日,洛尔汀和同事在《自然通信杂志》上发表了研究报告,说明了这种新形式的冰结构,与此同时,日本的研究者也进行了研究证明了这一发现。


  新的冰形式。


  大部分人都熟悉美丽的六面雪花,反映了形成冰晶中氧气的六边形排列,但规则的六面冰晶——冰1,实际上只是多种冰的形态之一,被称为多晶形,直到最近,人们才正式确认了18种不同形态的冰。地球上只有六面冰很常见,冰看起来很简单,但是是复杂的结构。例如,在六面冰晶水分子中,只有氧原子才能形成六面冰晶结构,冰1在冰术语中成为无序或被破坏的冰晶,这种无序冰的特性之一是在压力下变形,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,称为氢序或h序,与无序冰晶不同的是,h序非常脆,不变形而破裂。


  科学家发现冰19更新了人们的传统认知。


  这是冰6的模型,红蓝大球体代表氧原子,小球体代表氢原子。


  在这些条件下,发现的冰19形式上是h序冰晶,实际上是无序冰的h序形式,也称为冰6,存在随机类型的氢原子,冰6有另一种h序多形性冰15,氢原子的排列完全不同。


  洛尔汀说:冰6、冰15、冰19在密度方面非常相似。共享同样的氧原子网络,但氢原子的位置不同。这是第一次发现冰的多晶型之间有这样的关系,实验结果可以在两种形态之间转换。


  晶体结构。


  洛尔汀的研究团队在3年前的实验中制造冰19,将冰15冷却降低到零下170度,将压力大幅度提高到2吉帕斯卡。但而,他们对冰晶结构的细节一无所知,直到他们能够通过一个叫做中子衍生的过程来分析,这个过程可以通过反射中子流来揭示材料的原子结构,并检查其产生的衍生图案。


  通常情况下,中子派生需要用含有额外中子的重水代替样本中的水,但洛尔汀表示,纯重水不适合冰19实验。冻结的速度很慢,这个突破是在重水中加入一部分普通的轻水,产生的水很快就会冻结,但还是允许中子派生。


  罗尔汀说,水冰结构是研究氢键自然属性的关键,这一点还没有完全理解。理解宇宙天体也很重要。例如,体积庞大的冰超级明星著名演员星和海王星、木卫二、木卫一和木卫三,在这里发现其他冰晶形态。


  在天体物理学中,洞察冰相的密度和属性,了解这些地外天体的冰幕和冰核的结构特征是非常有趣的。


  现在有很多冰的多晶结构,冰19成为奥地利因斯布鲁克大学自1980年代以来发现的第6种冰的多晶结构,洛尔汀希望在研究队伍的未来发现新的水冰形式。他说:寻找冰20的比赛开始了。我希望我的研究队能发表的发现。


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编辑: @何丽华

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