发现奇异四面结构的第19种水冰，刷新人们的传统认知

导读：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。

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寒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，我们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，我们才能对该冰晶体命名，现在我们将它命名为冰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。

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。

洛尔汀解释称，水冰结构是研究氢键自然属性的关键，这一点我们还没有完全理解，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，洛尔汀希望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，我希望我的研究小组能够发表最新发现！”