常温下也能结成冰的水存在

韩国标准科学研究院，捕捉到超高压状态下水向冰转变瞬间
在超过2万大气压条件下首次在世界范围内发现新晶体结构“冰XXI”
揭示水的结构本质及其在极端条件下的变化
为在宇宙环境中实现物质精密测量奠定基础技术

韩国标准科学研究院（KRISS）在室温下捕捉到了超过2万大气压的超高压状态水转变为冰的瞬间。

KRISS研究团队以微秒（μs，百万分之一秒）为时间分辨率观测水的结晶过程，并于27日表示，他们在此过程中世界首次发现了此前从未被报道过的新晶体结构冰相——“冰XXI（Ice 21）”。

在宽广的温度和压力范围内存在的各种水与冰状态相图。以蓝色标示的区域为本次新发现的常温超高压冰“Ice XXI”的存在位置。KRISS提供

通过压力生成的“室温冰”

水通常在0℃以下结冰，但决定水状态的并非只有温度，压力同样起决定性作用。当压力足够高时，水在室温下也会变成固体冰。

在室温下，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，直接观测了水在保持液态后转变为冰的全过程。

在如此极端压力下，水分子间的氢键结构会发生复杂的扭曲与重新排列，从而形成多种不同形态的冰。

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，然而尤其是在0至2万大气压这一中间压力区间内，由于多种相变（phase transition）相互叠加，被视为“极其复杂的区间”，其内部结构一直难以被揭示。

KRISS博士后研究员 Kim Minju（左）和首席研究员 Lee Yunhee（右）正在通过动态金刚石压砧装置观测超过压水的结晶过程。KRISS提供

在发丝粗细空间内产生2万大气压的技术

本次发现的背后，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丝还细的微小金属缝隙中，再用两块金刚石夹压以施加超高压。传统装置需要研究人员手动调节压力，耗时数十秒才能完成压缩，而KRISS利用压电致动器，将施压时间缩短到10毫秒（千分之一秒）。

得益于此，研究团队得以实现水在即将转变为冰之前的“超压（supercompression）”状态。该状态指的是水在远高于其应当结冰的压力下仍能维持的准稳定液态区域，迄今在实验上几乎未曾被观测到。

全球最大规模的X射线自由电子激光设施“European XFEL”。European XFEL 脸书页面提供

研究团队将处于该状态的水暴露于世界最大规模的X射线自由电子激光设施——“欧洲XFEL（European XFEL）”之下，以每秒数百万次的X射线照射，捕捉水分子结构的变化。结果表明，他们在室温条件下发现了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”。

晶体结构大于既有冰，相似于行星内部

新发现的冰XXI具有不同于既有冰的独特结构。其晶体结构中最小重复单元——“晶胞（Unit Cell）”尺寸非常大，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，彻底阐明了新型冰XXI的结构。

超越物理学、延伸至宇宙科学的“冰研究”

这一成果不仅仅意味着发现了一种新的冰，更重要的是有助于理解水的结构本质，并以实验方式展示物质在极端条件下会经历怎样的变化。该研究在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”的支持下完成。

本次研究成果刊登于国际学术期刊《自然·材料（Nature Materials，影响因子38.5）》10月刊。论文题目为《室温条件下经由冰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）》，由责任研究员 Lee Yunhui 担任第一作者，责任研究员 Lee Geunwoo 担任通讯作者。

KRISS被评价称，借由本次研究已确立在超高压、超高温等宇宙极端环境下精密测量物质行为的基础技术。