揭開冰的秘密

到目前為止，人們對水和冰的複雜特性還不是很清楚，但來自倫敦大學學院和中子介子源研究所的研究團隊發現了一些關於被稱為Ice-II的最新研究成果。

水占我們身體的60%，是宇宙中最豐富的分子之一，也被稱為生命的基質。

但卻有許多不同形式的冰的形式，所有這些都與你在冰箱里發現的冰有很大的不同。冰的形成有許多不同的形式，這取決於它發展的壓力。

當水結冰時，它的分子會重新排列，高壓使分子按通常的方式重新排列。冰的許多不同的階段可以用相圖來描述，它顯示了不同溫度和壓力下物質的最佳物理狀態。

倫敦大學學院和科學技術設施理事會（STFC）中子和介子源中心的研究人員利用高壓中子衍射研究氟化銨雜質對水的相圖的影響。

他們發表在《自然物理學》上的令人驚訝的結果發現，這種雜質的加入導致了冰的特定階段，即Ice-II，完全消失在水的相圖中，而其他階段則不受影響。

冰的許多不同階段可以分為兩種類型：氫有序相和氫無序相。在這些不同的階段，水分子的取向要麼是固定的，要麼是無序的。

Ice-II是在高壓條件下形成的氫有序的冰相。與冰的其他階段不同，Ice-II在熱力學上保持穩定，氫被排列到非常高的溫度，這種反常結果的起源還不是很清楚。

利用中子衍射揭示了Ice-II的特殊性質。研究人員對中子和介子源中心的高壓中子衍射儀進行了優化，衍射強度達20 GPA，雖然這裡的樣品只暴露於0.3 GPA。儘管這遠遠低於儀器的全部性能，0.3 GPA仍然相當於3噸重力壓在一個指甲上。

對於中子衍射測量，地面冰樣品被放置在一個鈦鋯罐內，中子很容易穿透。利用氬氣充氣壓縮機產生珍珠的極壓。珍珠可以進行原位壓力中子衍射測量，這是本研究的必要條件。

「沒有原位中子衍射，我們就不能進行這項研究。最重要的是表明Ice-II已經消失在區域的相圖中，通常情況下它是會存在的，」Christoph G. Salzmann博士說（倫敦大學學院化學系）。

除了收集高壓中子衍射數據外，研究人員還利用計算方法獲得了非常重要的見解。他們發現，摻有少量氟化銨的Ice-II會導致冰的這一特定階段完全消失，而冰的相互作用階段則不受影響。這一觀察結果使研究人員能夠推斷出關於Ice-II極不尋常性質的重要信息。

「與其他階段不同，ICE-II是拓撲約束的。這意味著Ice-II中的水分子在很長的距離內相互作用。從某種意義上說，無論冰晶體中的一個水分子發生什麼，所有其他分子都會感受到這種效果。在我們的研究中，經歷了一個由Ice-II干擾氟化銨而消失所有的Ice-II和讓它消失，」Salzmann博士說。

對於冰與自然界其他物質共存的研究，例如冰上月球的研究，這一認識將具有重要意義。此外，Ice-II的特殊性質提供了一個新的解釋，為什麼水的相圖顯示如此多的異常，包括液態水。這些發現也可能開啟對冰的新階段的研究。如果摻雜劑有能力抑製冰的某些階段，這表明它們也能誘導形成新的冰相。

對「生命的矩陣」及對冰的許多階段的興趣，當然沒有顯示出一些特別大的進展。高壓中子衍射允許以其他方法無法進行的一種極端壓力環境進行研究，我們的研究小組很可能會由此開始一種回到工廠尋找冰的秘密的新階段。

來源：https://phys.org/news/2018-04-secrets-ice.html

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