这些冰的存在超出了地球极限!还违反公认理论?

美国能源部橡树岭国家实验室科学家们通过一项旨在创造超冷水状态的实验,利用中子散射技术,发现了一条通往意想不到致密冰晶相形成的途径,这些冰晶相的存在超出了地球极限。对这些被称为冰IX、冰XV和冰VIII特殊结晶冰晶相的观察,挑战了关于超冷水和非晶冰的公认理论。研究人员在《自然》(Nature)上发表的这一发现,还将有助于更好地了解在其他行星、卫星和太空其他地方发现的冰及其不同阶段。

ORNL中子散射科学家、第一作者克里斯·图克(Chris Tulk)说:氢和氧是宇宙中最丰富的元素之一,这两种元素中最简单的分子化合物H2O很常见。事实上,一个流行的理论表明,地球上的大部分水是通过与冰彗星的碰撞而来到地球。在地球上,当水分子达到0摄氏度时,它们进入一个较低的能量状态,并稳定在一个六角形的晶格上。这种冻结形式被称为冰Ⅲ,是家庭冰柜或溜冰场中最常见的水相。冰IX、冰XV和冰VIII是至少17个冰相中的3个。

当分子在不同的超低温和高压下重组成稳定的晶体结构时,就会形成冰相。当冰发生相变时,它就像水从气体变成液体变成固体一样,除了在低温和高压下,冰会在各种不同的固体形式之间转变。在压力-温度稳定范围内,每个已知的冰相都有其独特晶体结构,分子达到平衡,水分子呈现规则的三维格局,结构趋于稳定。起初,Tulk和加拿大国家研究委员会和加州大学洛杉矶分校的同事们正在探索非晶冰的结构本质,当它在更高的压力下再结晶时。为了制造无定形冰,科学家们将水冷冻到一个高压设备中

该设备被冷却到- 173摄氏度,并被加压到大约10000个大气压,即每平方英寸14.7万磅(汽车轮胎膨胀到每平方英寸32磅)。这种非晶态冰被认为与液态水有关,了解这种联系是这项研究的初衷。在ORNL的散裂中子源,研究小组冻结了一个3毫米的球体,约半滴水,氘化水,其中有一个额外的中子在氢核中,需要中子散射分析。然后将散裂中子和压力(SNAP)衍射仪的程序设置为零下173摄氏度。该仪器每隔几小时就会逐步增加压力,最高可达每平方英寸41.1万磅(合2.8万个大气压)

同时在每次压力升高之间收集中子散射数据。一旦获得了非晶态冰,计划提高温度和压力,观察非晶态冰‘融化’成过冷液体,然后再重新结晶时的局部分子顺序。”在分析了数据之后,惊奇地发现,并没有创造出无定形的冰,而是由密度不断增加的四种冰相(从冰Ih到IX冰,从XV冰到XIII冰)所经历的一系列晶体转变,根本没有无定形冰的迹象。来自加拿大国家研究委员会(National Research Council of Canada)的丹尼斯·克鲁格(Dennis Klug)说:

我一直通过在低温下压缩冰来制作这些样品,以前从未见过这种压力-温度路径导致了一系列这样的结晶形态。如果实验数据是正确的,这将意味着非晶冰与液态水无关,而是两个晶态之间的不连续转变,这与广泛接受的理论大相径庭。起初,研究小组认为观察结果是受污染的样本。在SNAP上,又进行了三次实验,使用新鲜、经过仔细处理的样品,得到了相同的结果,在没有形成无定形冰的情况下,再次确认了结构转变的顺序。

关键是缓慢的压力增加速度和在较低压力下收集的数据,使冰结构放松,成为稳定的冰IX形式。之前的实验快速通过了冰IX结构而没有弛豫,这导致了非晶态相。35年来科学家们一直在研究超冷水的特性,寻找第二个临界点,也就是埋藏在固态冰中的临界点。但这些结果质疑了它的存在。压力引起的非晶冰和水之间的关系现在还不确定,第二个临界点甚至可能不存在。研究结果将为将来在SNS进行的实验中分析非晶冰相的研究奠定基础。

博科园|研究/来自:橡树岭国家实验室

参考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1204-5

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