科技日報記者 劉霞

一個國際科研團(tuán)隊借助位于法國勞厄-朗之萬研究所內(nèi)先進(jìn)的中子光譜儀等設(shè)施，首次觀測到水的奇異形態(tài)——“塑性冰七”（Plastic ice Ⅶ）。研究水的塑性態(tài)和超離子態(tài)，能幫助人們進(jìn)一步理解木衛(wèi)三、木衛(wèi)四等冰衛(wèi)星，以及天王星、海王星等冰行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冰川流動。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《自然》雜志。

一般而言，水有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)3種基本形態(tài)。但實(shí)際上，水還擁有更多形態(tài)，其中一些僅在高溫高壓下出現(xiàn)，被稱為奇異態(tài)。15年前，科學(xué)家借助分子動力學(xué)模擬，預(yù)測了“塑性冰七”的存在，而此次研究則首次通過實(shí)驗觀測到了這一形態(tài)。

塑性態(tài)是一種混合態(tài)，兼具固態(tài)和液態(tài)的特性。在“塑性冰七”內(nèi)，水分子形成剛性立方晶格——就像在“冰七”（一種立方結(jié)晶冰形，降至室溫后可在3GPa以上由液態(tài)水形成）內(nèi)一樣，但同時又表現(xiàn)出液態(tài)水內(nèi)的皮秒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這種奇特形態(tài)出現(xiàn)在177℃—327℃高溫、0.1GPa—6GPa（1GPa=10億帕）的壓力環(huán)境下。

準(zhǔn)彈性中子散射（QENS）技術(shù)在此研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。與其他光譜技術(shù)相比，QENS能更精準(zhǔn)地探測物體的平移和旋轉(zhuǎn)動力學(xué)。通過QENS，團(tuán)隊識別出了水在溫度和壓力發(fā)生變化時呈現(xiàn)出的3種不同形態(tài)：水分子同時存在平移和旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動的液態(tài)水；平移和旋轉(zhuǎn)都被凍結(jié)的固態(tài)冰；以及位于中間的“塑性冰七”。在“塑性冰七”內(nèi)，排列成有序晶體結(jié)構(gòu)的水分子失去了自由平移的能力，但保留了旋轉(zhuǎn)能力。

進(jìn)一步分析表明，“塑性冰七”的分子動力學(xué)可能比最初模擬的更復(fù)雜，其分子旋轉(zhuǎn)機(jī)制不同于此前預(yù)測的自由轉(zhuǎn)子行為。而且，水從“冰七”到“塑性冰七”的轉(zhuǎn)變是連續(xù)的，這意味著“塑性冰七”可能是另一種在更高溫度和壓力下存在的超離子態(tài)的“前身”。

總編輯圈點(diǎn)：

在我們的日常生活中，水似乎平平無奇。實(shí)際上，它好比一位“多面伊人”，有著許多不尋常的特性。塑性冰七，便是水少為人知的奇異形態(tài)之一。這種形態(tài)不同于普通的冰，是水在極端高壓和特殊溫度條件下形成的高壓冰相。它能夠展現(xiàn)出類似塑料的柔韌性，兼具固態(tài)和液態(tài)的特性。目前，塑性冰七的相關(guān)研究仍處于探索階段，期待這種神奇形態(tài)的水未來能夠在新材料領(lǐng)域大放異彩。