[读懂科学]在超高压环境下发现新型冰
KRISS在常温下全球首揭“冰XXI”结构…为宇宙生命探测与新材料研究开启新篇章
韩国标准科学研究院（KRISS）在常温下捕捉到了超过2万大气压超高压状态的水转变为冰的瞬间。
KRISS研究团队以微秒（μs，百万分之一秒）为单位观测水的结晶过程，宣布在此前未被发现的新晶体结构冰相中，全球首次发现了名为“冰XXI（Ice 21）”的新相。上述内容于27日对外公布。
由压力造就的“常温冰”
水通常在0℃以下结冰，但决定水的状态的不仅是温度，压力也起关键作用。当压力足够高时，即使在常温下，水也可以变为固体冰。
在常温下，当水承受约9600大气压（0.96 GPa）以上时会转变为“冰VI”，而在本次研究中，研究团队在远高于此的2万大气压（2 GPa）环境下，直接观测到水在保持液态的情况下转变为冰的全过程。
在这种极端高压下，水分子之间的氢键结构会发生复杂的扭曲与重排，从而形成多种形态的冰。
迄今为止，全球科学家在不同温度和压力条件下共发现了20种晶体冰，但特别是在0至2万大气压这一中等压力区间，由于多种相变（phase transition）相互叠加，被视为“复杂区间”，其内部结构一直难以揭示。
在一根头发粗细的空间里制造出2万大气压的技术
此次发现的背后，是KRISS自主开发的超精密压缩装置——“动态金刚石对顶砧（dynamic Diamond Anvil Cell，dDAC）”技术。
该装置将水注入比头发还细的微小金属间隙中，再用两块金刚石夹压以施加超高压。以往设备需要研究人员手动调节压力，在数十秒内缓慢完成压缩，而KRISS利用压电执行器进行驱动，使得在10毫秒（千分之一秒）内即可完成施压。
借此，研究团队得以实现水在即将结冰前的“超压（supercompression）”状态。这是一种远高于水本应结冰压力却仍能维持的准稳定液态状态，此前在实验中几乎未被观测到。
研究团队将处于该状态的水暴露于世界最大规模的X射线自由电子激光装置“欧洲XFEL（European XFEL）”中，以每秒数百万次的X射线脉冲捕捉水分子结构的变化。结果发现，在常温下存在5条以上新的结晶路径，其中一条被确认是此前从未被报道过的新晶体相“冰XXI”。
比既有冰更大的晶体结构……类似行星内部
新发现的冰XXI具有不同于既有冰的独特结构。其晶体结构最小重复单元——“晶胞（Unit Cell）”的尺寸非常大，并呈扁平的长方体形态。
KRISS研究团队利用X射线衍射数据精确解析了水分子的具体位置，彻底揭示了新型冰XXI的结构。
KRISS宇宙极限测量组超高压研究团队。自左起为责任研究员 Lee Yunhee、博士后研究员 Kim Minju、博士后研究员 Kim Jingyun、责任研究员 Lee Geunwoo。KRISS提供
View original imageKRISS宇宙极端环境测量组首席研究员 Lee Yunhee 表示：“冰XXI的密度与被预测存在于木星和土星冰卫星内部的超高压冰层相近，本次研究将为探明宇宙行星内部结构以及生命存在可能性的探索提供重要线索。”
同一研究组的首席研究员 Lee Geunwoo 称：“我们将自主开发的dDAC技术与XFEL的超高速成像技术相结合，捕捉到了以往设备无法触及的‘刹那瞬间’，阐明极端环境下物质行为的研究将为新材料开发和极端环境科学打开新局面。”
从物理学走向宇宙科学的“冰研究”
这一成果不仅仅意味着发现了一种新型冰，更重要的是在实验上展示了对水的结构本质以及物质在极端条件下经历何种变化的理解。本研究得到了国家科学技术研究会推进的“面向4000 K级火箭发动机的超高温材料及物性测量技术开发项目”的资助。
本次研究结果已刊登在国际学术期刊《自然·材料（Nature Materials，影响因子38.5）》10月刊上。论文题目为《常温下经由冰XXI相的高密度冰多重凝固—熔化路径（Multiple Freezing–Melting Pathways of High-Density Ice through Ice XXI Phase at Room Temperature）》，首席研究员 Lee Yunhee 为第一作者，首席研究员 Lee Geunwoo 为通讯作者。
KRISS被评价为，以本次研究为契机，已确立起在超高压、超高温等宇宙极端环境下精密测量物质行为的基础技术。
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