多變的冰

將鉆石“捏出”水來(lái),，把全部海洋迅速凍結(jié)，這是7號(hào)冰能夠做到的事情,。

這怎么可能呢,？

但7號(hào)冰的存在本身確實(shí)令人匪夷所思，不過(guò)它也不會(huì)像常規(guī)的冰塊一樣出現(xiàn)在我們生活中,。

常見(jiàn)的冰晶體

我們常見(jiàn)的冰塊或者冰晶體都是正六邊形排列的結(jié)構(gòu),，氧原子的被重新組合，冰塊發(fā)生膨脹,。

無(wú)論是冬天地面上結(jié)成的霜,，還是天空中飄落的雪，就算是制冰機(jī)制造出來(lái)的冰塊也與它們沒(méi)什么不同,。

這類冰在“布里奇曼”命名法中被稱作1號(hào)冰（ice-Ih）,h指的是氧原子從液體或氣體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w冰時(shí),，他所排列出來(lái)的六邊形結(jié)構(gòu)。

正常情況下看見(jiàn)的冰分子結(jié)構(gòu)

不過(guò)這種方正的結(jié)構(gòu)并不是水分子可以聚集出來(lái)的唯一形狀,，理論上來(lái)講,，在適當(dāng)?shù)膲毫蜏囟?/span>下，水的結(jié)晶相可以呈現(xiàn)出17種不同風(fēng)格,。

當(dāng)然,，還有近年來(lái)討論熱烈的18號(hào)冰。

就常規(guī)的1號(hào)冰來(lái)講,，地球的溫度和壓力變化并不大,，所以1號(hào)冰也是我們能夠見(jiàn)到的最多的冰晶體。

冰相態(tài)變化的條件參考表

只要適當(dāng)?shù)亟o冰晶體繼續(xù)施加壓力和溫度,，它的相態(tài)便會(huì)出現(xiàn)特別奇怪的變化,。

7號(hào)冰的獨(dú)特之處在于，即便壓力急劇增加,，它也能保持穩(wěn)定,。

7號(hào)冰的密度也會(huì)比1號(hào)冰高1.5倍,，不過(guò)地球的環(huán)境很明顯不能讓它正常出現(xiàn)。

因?yàn)橐纬?strong>7號(hào)冰,，需要超過(guò)30000個(gè)大氣壓,，也就是3吉帕斯卡的低溫狀態(tài)。

地球中能夠形成7號(hào)冰的可能地方只有地幔,，不過(guò)這個(gè)位置溫度會(huì)很高,，7號(hào)冰無(wú)法在這里形成。

地幔中可能出現(xiàn)的冰

從2號(hào)冰到18號(hào)冰,，科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)能在實(shí)驗(yàn)室中用不同的溫度和壓力來(lái)產(chǎn)生這種奇特的冰晶體,。

從熔化的固體、沸騰的液體,，再到升華的固體到過(guò)冷液體或過(guò)熱液-氣混合物,。

極純的過(guò)冷水在0℃以下可以保持液態(tài)，直到施加振動(dòng)或冷凝子摻雜引發(fā)結(jié)晶,。

18號(hào)冰的狀態(tài)

7號(hào)冰在很寬的溫度和壓力范圍內(nèi)是亞穩(wěn)態(tài)的,，并能在-153℃以上轉(zhuǎn)變?yōu)榈兔芏?strong>無(wú)定形冰。

無(wú)定形冰的分子排列缺乏長(zhǎng)程有序,，它要么通過(guò)液態(tài)水的快速冷卻,，讓分子來(lái)不及形成晶格產(chǎn)生，要么通過(guò)低溫壓縮普通冰形成,。

另外,，7號(hào)冰可以通過(guò)沖擊波的快速壓縮在幾納秒內(nèi)形成,，也可以通過(guò)在環(huán)境溫度下增加6號(hào)冰的壓力來(lái)產(chǎn)生,。

與大多數(shù)冰相一樣，氫原子的位置是無(wú)序的,，氧原子在多個(gè)位置也是無(wú)序的,。

7號(hào)冰的結(jié)構(gòu)包含氫鍵框架，其表現(xiàn)為兩個(gè)互穿但未鍵合的亞晶格,。

弱鍵的亞穩(wěn)態(tài)

氫鍵穿過(guò)水六聚體的中心,，因此不會(huì)連接晶格。在所有冰相態(tài)中,，7號(hào)冰是唯一可以通過(guò)簡(jiǎn)單冷卻有序化的無(wú)序冰相,。

此外，7號(hào)冰在冰的所有分子相中具有最大的穩(wěn)定場(chǎng),，形成7號(hào)冰結(jié)構(gòu)骨架的立方氧亞晶格至少會(huì)在128吉帕斯卡的壓力下持續(xù)存在,。

高科技造冰

對(duì)7號(hào)冰的研究和理論研究工作表明，它可以在實(shí)驗(yàn)室中合成,。

2017年加利福尼亞州斯坦福大學(xué)聯(lián)合新墨西哥州洛斯阿拉莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,，科學(xué)家們成功觀察到在激光壓力的沖擊下,，7號(hào)冰的形成。

沖擊波實(shí)驗(yàn)的藝術(shù)表現(xiàn)

科學(xué)家向一小瓶水中發(fā)射強(qiáng)大的X射線激光,，然后使用另一個(gè)強(qiáng)力激光脈沖來(lái)進(jìn)行高速拍攝,。

這樣便能讓科學(xué)家看見(jiàn)水中的分子一個(gè)個(gè)上升到7號(hào)冰的冰相中。

盡管以前有過(guò)科學(xué)家嘗試過(guò)制造7號(hào)冰,，不過(guò)并沒(méi)有成功捕獲冰凍的過(guò)程,。

在2017年的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家成功捕獲到了7號(hào)冰的形成,，這種快速凍結(jié)所需要的時(shí)間只有6納秒,。

激光脈沖實(shí)驗(yàn)

科學(xué)家通過(guò)對(duì)7號(hào)冰形成過(guò)程的衍射峰分析，基于對(duì)隨時(shí)間變化的衍射峰時(shí)間動(dòng)力學(xué)擬合,。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,，冰凍過(guò)程中，水首先結(jié)晶成針狀和一堆棒狀結(jié)構(gòu),，然后成核形成固體7號(hào)冰,。

一般來(lái)講，物質(zhì)都有一定的可壓縮性,。

當(dāng)對(duì)物質(zhì)的固相施加越來(lái)越大的壓力時(shí),，化學(xué)鍵之間的空間會(huì)略微減小，它們之間會(huì)稍微傾斜,。

但水冰的可壓縮性很低,，當(dāng)它受到太大的壓力時(shí)，原子不會(huì)聚集在一起,。

相反,，它們會(huì)將自己重新排列成其他不同的模式，這取決于壓力和具體環(huán)境,。

例如對(duì)1號(hào)冰施壓,，它則會(huì)變成具有菱面體結(jié)構(gòu)的2號(hào)冰，再繼續(xù)施壓,，便會(huì)組成其他冰相,。

不過(guò)與其他冰相階段不同的是，即便壓力繼續(xù)增加,，7號(hào)冰的相態(tài)仍然很穩(wěn)定,。

計(jì)算機(jī)模擬顯示水分子有序形成7號(hào)冰

科學(xué)家們認(rèn)為，在太陽(yáng)系中可能會(huì)有大量的7號(hào)冰,，它可能出現(xiàn)在土衛(wèi)二和歐羅巴這樣的冰衛(wèi)星內(nèi)部,。

又或者，它會(huì)成為土衛(wèi)六海洋的一部分,，但肯定不會(huì)自然地發(fā)生在地球中,。

正如我們前面所說(shuō),，地幔是唯一有可能存在7號(hào)冰的地方，但是那里的溫度太高了,，并不能形成7號(hào)冰,。

不過(guò)科學(xué)家在新的研究中，從地幔處生成的鉆石找到了新的證據(jù),。

由于鉆石的特殊性質(zhì),，少量的材料也可以在地球中自然形成。

深處地幔的鉆石埋藏在地殼下方的600多公里處,，當(dāng)它們?cè)谛纬蛇^(guò)程中偶爾會(huì)捕捉到周圍化學(xué)環(huán)境的一小部分,，然后將其封存在內(nèi)部。

一顆鉆石里面可能含有水分

7號(hào)冰鉆石

科學(xué)家在2018年對(duì)地幔含水流體的研究中,，科學(xué)家相信地幔中富含水的區(qū)域在全球水支出和產(chǎn)熱元素的流動(dòng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,。

相關(guān)研究表明，7號(hào)冰可以在天然鉆石的內(nèi)含物中出現(xiàn),，它可以作為此類富含水區(qū)域的指標(biāo),。

對(duì)地幔深層的橄欖石和巖石礦物的研究表明：

地球不同區(qū)域的化學(xué)結(jié)合水的平均豐度，以及可能出現(xiàn)的較小層或富含水的巖石熔體位置,，幫助科學(xué)家了解到在延長(zhǎng)的地質(zhì)事件內(nèi),，地球水活動(dòng)的情況。

鉆石中冰-VII 的衍射圖案

而鉆石中存在的7號(hào)冰則是最好的證據(jù)表明,，它為過(guò)渡帶-下地幔邊界周圍存在水性流體提供了證據(jù),。

通過(guò)X射線衍射對(duì)金剛石中的7號(hào)冰包裹體出現(xiàn)次數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，7號(hào)冰與其他微米級(jí)雜物混合在金剛石中,。

在成核過(guò)程中,，液體或蒸汽中的少量原子或分子會(huì)以結(jié)晶土固體的特征排列，然后形成一個(gè)位置,。

隨著晶體的不斷生長(zhǎng),，會(huì)有更多粒子沉積在該位置，直到完全凍結(jié),。

天然鉆石中冰-VII 的出現(xiàn)壓力

7號(hào)冰在地幔有兩種不同的形成方式，成核開始于某種表面,。

然后向內(nèi)擴(kuò)散則是“異質(zhì)”形成,，“均質(zhì)”表明冰在大部分水樣中形成，這幾乎會(huì)瞬間凍結(jié)所有水樣,。

科學(xué)家還證明液態(tài)水和正在形成的冰晶之間的溫度差異,，此外還有特定的臨界點(diǎn)或閾值決定了冰核是非均質(zhì)還是均質(zhì)。

所以整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單來(lái)講,，地幔的溫度和壓力都很高,，鉆石會(huì)在這里形成,。

水泡在被鉆石包裹后，當(dāng)水逐漸上升到表面時(shí),，此時(shí)水便暴露在一個(gè)較低的溫度下,，然而鉆石的穩(wěn)態(tài)仍保持著高壓狀態(tài)。

一顆在鉆石中的7號(hào)冰

即便7號(hào)冰在高壓狀態(tài)下出現(xiàn),，如果它不高于一個(gè)特定的閾值,，成核會(huì)向內(nèi)擴(kuò)散。

一旦超過(guò)這個(gè)閾值成核擴(kuò)散到整個(gè)樣品時(shí),，就會(huì)發(fā)生快速相變,。

所以，冰的形成和擴(kuò)散速度會(huì)非?？?/strong>,，新生的冰晶和周圍的水必須處于不同溫度才能發(fā)生這種快速凍結(jié)。

科學(xué)家表示,，7號(hào)冰在地幔中的不尋常生成方式,，一開始大約以100個(gè)分子的微小簇形式出現(xiàn)，然后以每小時(shí)超過(guò)1600公里的速度極快生長(zhǎng),。

如果7號(hào)冰以這種形式出現(xiàn),，便能迅速凍結(jié)地球上的全部海洋。不過(guò)這種情況很罕見(jiàn),，也不會(huì)在地球上出現(xiàn),。

如果是流星或者彗星的轟擊，爆炸產(chǎn)生的沖擊波足以將任何水壓縮到恰到好處的高壓,，使其能在足夠深的海域形成7號(hào)冰,，然后迅速擴(kuò)散至地表。

科學(xué)家目前正在思考7號(hào)冰對(duì)系外行星的影響,，以及它在行星系統(tǒng)中的分布情況,，未來(lái)它還會(huì)進(jìn)一步為我們揭示行星演化。