科學(xué)家們可能已經(jīng)粉碎了一個關(guān)于冰的理論——懷疑冰在適當(dāng)?shù)臈l件下會變成像玻璃一樣奇怪的無序固體的想法。

用來冷卻飲料的冰是一種晶體，其中分子以六邊形結(jié)合在一起。科學(xué)家預(yù)測，當(dāng)冷卻并壓縮到超低溫和超低壓時，水分子將失去其規(guī)則的結(jié)構(gòu)并陷入無序狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)被稱為無定形固體。玻璃和塑料是無定形固體的例子。

美國橡樹嶺國家實驗室的Chris Tulk說：“這種類型的無定形冰被認(rèn)為與液態(tài)水有關(guān)，這種聯(lián)系被認(rèn)為是這項研究的主要目的。

相反，正如塔爾克和他的同事在《自然》雜志上報道的那樣，他們創(chuàng)造它的嘗試失敗了，但產(chǎn)生了三個不尋常的晶體變化。

已知有17種不同的冰晶體結(jié)構(gòu)，它們是在不同的壓力和溫度條件下形成的。在這個實驗中，當(dāng)團(tuán)隊增加壓力時，冰被從正常冰分類為Ih，并穿過三個連續(xù)的致密結(jié)構(gòu)：冰IX、冰XV和最后的冰XIII。

這些形式的冰以前被觀察過，但是科學(xué)家們感到困惑的是，以前觀察到的無定形形式從未被認(rèn)識到。

該團(tuán)隊成員包括加拿大國家研究委員會的丹尼斯克魯格，他在1984年首次發(fā)現(xiàn)了壓力誘導(dǎo)的冰非晶化。

“我以前從未見過這種壓力-溫度路徑導(dǎo)致一系列這樣的晶體形式，”Klug說。

在實驗中，3毫米水球被冷卻到-173，然后壓力逐漸增加，達(dá)到單個地球大氣壓的28000倍。在每一個新的壓力下，中子束被用來探測冰滴以顯示其結(jié)構(gòu)。

直到他們分析了持續(xù)壓力的結(jié)果后，Tulk和他的同事才意識到他們無法研究無定形冰的轉(zhuǎn)變，因為它從未形成過。

該團(tuán)隊最初認(rèn)為他們的實驗被污染了，但接下來的三次重復(fù)產(chǎn)生了相同的結(jié)果。

“如果我們的實驗數(shù)據(jù)是真的，這意味著無定形冰與液態(tài)水無關(guān)，而是兩個結(jié)晶相之間中斷的轉(zhuǎn)變，這與廣泛接受的理論大相徑庭，”Klug說。

研究小組提出，壓力增加緩慢，在較低壓力下收集數(shù)據(jù)可以使冰結(jié)構(gòu)松弛，形成冰IX。之前的實驗已經(jīng)很快通過了ice IX條件，沒有允許松弛，導(dǎo)致非晶相。

令人驚訝的結(jié)果挑戰(zhàn)了35年來對水資源研究的追求。

當(dāng)太冷時，水的行為就不像其他晶體。一些試圖解釋這種異常行為的理論預(yù)測，在極低的溫度和極高的壓力下，會發(fā)生從低密度到高密度的突然跳躍，這被稱為第二臨界點。

科學(xué)家們在這種不同晶體形式的密度跳躍中徒勞無功。新的結(jié)果質(zhì)疑它的存在。

“壓力導(dǎo)致的無定形冰和水之間的關(guān)系現(xiàn)在是有疑問的，第二個臨界點甚至可能不存在，”Tulk說。

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