冰有超過20種形態，看看你知道幾種？_風聞
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在科學的顯微鏡下，冰並非我們所見的那麼簡單。它是一種高度複雜的材料，一直是材料科學研究的前沿。目前已經發現了超過20種不同形態的冰，從立方冰到鑽石裏的“冰7”，再到結冰的火焰“冰18”，每一種冰的形態都揭示了冰的神奇和多樣性。
撰文 | 盧達標（中國科學院大學，培養單位：中國科學院物理研究所）
審核 | 潘昭 （中國科學院物理研究所副研究員）
在我們生活的這個宇宙中，冰的存在是普遍而神秘的。從太陽系的內行星和彗星的兩極，到遙遠的氣態巨行星和矮行星的衞星，冰無處不在。而在我們腳下的地球，水結成“普通冰”是最常見的相變之一，每當冬季來臨，雪花飄落，那是一場令人難忘的自然盛宴。
然而，在科學的顯微鏡下，冰並非我們所見的那麼簡單。它是一種高度複雜的材料，一直是材料科學研究的前沿。例如，為了揭示生物體內如何抑制冰的形成，Jacques Dubochet發展了冷凍電子顯微鏡技術，這一突破性的研究使他榮獲了2017年的諾貝爾化學獎。
人類對冰的探索始於20世紀早期。Bridgman利用高壓技術，首次揭示了5種不同形態的冰。自那以後，科學家們在這一領域進行了深入的研究，截至目前，已經發現了超過20種不同形態的冰。這些冰按照被發現的順序，被命名為“冰1”至“冰19”。
細心的小夥伴可能發現了，“冰1”至“冰19”只有19個名字，但冰的形態卻超過了20種。這是因為某些名字涵蓋了多種形態。以“冰1”為例，它實際上包含了兩種不同的形態，分別是“冰1h”和“冰1c”。其中，“冰1h”是最常見的“普通冰”，其結構為六方結構（Hexagonal）。而“冰1c”則是立方冰，其結構為立方結構（Cubic）。
立方冰
在春夏季節，偶爾會出現日暈現象，這是由於日光通過卷層雲時，受到冰晶的折射或反射而形成的。普通冰的結構是六方的，因此日暈半徑的視角通常是22度和46度。然而，在極其罕見的情況下，會出現28度的日暈，這被稱為Scheiner’s halo。其形成的原因就是神秘的立方冰。
2023年，物理所的白雪東研究組揭示了立方冰形成的機制。他們利用原位冷凍電鏡等技術，發現立方冰首先在一些異質界面上成核生長。但隨着冰晶生長時間的增加，六方冰的佔比逐漸增加。因此，雖然自然界常見的降雪大多是水分子在灰塵礦物質等表面的凝聚生長，立方冰可以在這些異質界面出現。但隨着冰晶不斷長大，這些立方冰就會逐漸轉化為最常見的六方冰。
鑽石裏的“冰7”
去年冬天，北方地區“潑水成冰”的絢麗情景令人印象深刻。“潑水成冰”一般需要温度較高的熱水。熱水蒸發出的水蒸氣迅速凝結成一顆顆小冰晶。那如果要形成一片漂亮的雪花需要多長時間呢？下面的動圖展示了Libbrecht教授在實驗室生長雪花的過程。這片雪花大概有2.5mm長，而生長的時間為44分鐘。如果我們想要讓結冰的過程快一些，降低温度當然是一個辦法。除此之外，增大壓強是另一個更為有效的方法。
例如，在壓強為3 GPa (1 GPa = 109 Pa) 的條件下，水會凝結成“冰7”。這壓強大致等於在指甲蓋上放上一部小型客機。和普通的冰相比，“冰7”的凝結時間非常短，只需要6納秒，比Libbrecht教授在實驗室生長雪花的時間快了11個量級。
實際上，在地球的地殼深處，就存在着“冰7”。更有意思的是，2018年發表在Science上的一篇文章證明了在一些鑽石裏面就封存着“冰7”。
結冰的火焰：“冰18”
如果繼續增大壓強到300 GPa，就有可能形成“冰18”。在“冰18”的結構中，巨大的壓強導致水分子裏面的共價鍵斷裂。氧離子被迫形成面心立方的密堆積結構，而質子（氫離子）則只能位於氧離子的空隙中。而且氫離子能在這些空隙中自由移動，使得“冰18”具有類似於金屬的導電性。
“冰18”的導電性意味着它沒有帶隙，因此“冰18”不像普通的冰一樣是透明的。此外，自由移動的氫離子也使得“冰18”具有很高的熔點，在接近3000℃的高温下也仍是固態。這使得“冰18”成為名副其實的“結冰的火焰”。
據NASA航海者2號的研究，天王星這樣的冰巨星磁場與地球和其他行星的偶極場有很大不同。這類行星具有奇怪的非軸對稱、非偶極磁場。而“冰18”完全可能在這類行星的壓力和温度下形成，其特殊的導電性甚至可以解釋冰巨星中特殊的磁場。
更高壓力下的冰？
隨着科學研究的深入，人類對冰的認識也在不斷豐富。從立方冰到鑽石裏的“冰7”，再到結冰的火焰“冰18”，每一種冰的形態都揭示了冰的神奇和多樣性。而關於更高壓力下的冰，科學家們仍在不斷探索和研究中。我們期待未來能有更多的發現，讓我們對這個宇宙中的奇妙物質有更深入的瞭解。
參考文獻
[1] Christoph G. Salzmann; Advances in the experimental exploration of water’s phase diagram. J. Chem. Phys. 150, 060901 (2019).
[2] Huang, X. et al. Tracking cubic ice at molecular resolution. Nature 617, 86–91 (2023).
[3] O. Tschauner et al. Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle.Science 359,1136-1139(2018).
[4] Millot, M. et al. Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice. Nature 569, 251–255 (2019).
[5] Libbrecht：http://www.snowcrystals.com/
本文經授權轉載自微信公眾號“中科院物理所”，原標題為《冰的奇妙世界：超過20種形態的探索之旅》。
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