科學(xué)家可能已經(jīng)粉碎了一個關(guān)于冰的理論 - 對于在正確的條件下它可以變成類似于玻璃的奇怪的無序固體形式的想法產(chǎn)生懷疑。

用于冷卻飲料的冰是一種晶體，其中分子以六邊形圖案結(jié)合在一起。科學(xué)家們預(yù)計，當(dāng)冷卻并壓縮到超低溫度和壓力時，水分子將失去其規(guī)則結(jié)構(gòu)并陷入無序狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)被稱為無定形固體。玻璃和塑料是無定形固體的實例。

“這種類型的無定形冰被認(rèn)為與液態(tài)水有關(guān)，并且認(rèn)為這種聯(lián)系是本研究的最初目的，”來自美國橡樹嶺國家實驗室的Chris Tulk說。

相反，正如Tulk和他的同事們在“ 自然 ”雜志上報道的那樣，他們創(chuàng)造它的嘗試失敗了，而是產(chǎn)生了三種不尋常的晶體變化。

冰有17種已知的不同晶體結(jié)構(gòu)，它們在不同的壓力和溫度條件下形成。在這個實驗中，當(dāng)團隊增加壓力時，冰從正常的冰中分類為Ih，通過三個相繼密集的結(jié)構(gòu)：冰IX，XV和最后的XIII。

之前已經(jīng)觀察到這些形式的冰，但是科學(xué)家們混淆的是，以前也曾觀察到的無定形形式從未實現(xiàn)過。

該團隊成員包括加拿大國家研究委員會的Dennis Klug，該實驗室最初于1984年發(fā)現(xiàn)了壓力誘導(dǎo)的冰的非晶化。

“我以前從未見過這種壓力溫度路徑導(dǎo)致像這樣的一系列晶體形式，”Klug說。

在實驗中，將3毫米水球冷卻至零下173攝氏度，然后逐漸增加壓力，達到單個地球大氣壓的28,000倍。在每個新的壓力下，用中子束探測冰滴以顯示其結(jié)構(gòu)。

只有在他們分析了連續(xù)壓力的結(jié)果之后，Tulk及其同事才意識到他們無法研究無定形冰的轉(zhuǎn)變，因為它從未形成過。

該團隊最初認(rèn)為他們的實驗受到了污染，但隨后的三次重復(fù)產(chǎn)生了相同的結(jié)果。

“如果我們實驗的數(shù)據(jù)是真實的，那就意味著無定形冰與液態(tài)水無關(guān)，而是兩個晶相之間的中斷轉(zhuǎn)換，這與廣泛接受的理論有很大不同，”Klug說。

該小組提出，壓力增加緩慢，并且在較低壓力下收集數(shù)據(jù)可使冰結(jié)構(gòu)松弛并形成冰IX。先前的實驗已經(jīng)快速通過冰IX條件而不允許松弛，導(dǎo)致非晶相。

令人驚訝的結(jié)果挑戰(zhàn)了對水研究的35年追求。

當(dāng)過冷時，水的表現(xiàn)不像其他晶體。一些試圖解釋這種異常行為的理論預(yù)測，在極低溫度和高壓溫度下，從低密度到高密度的突然跳躍，即所謂的第二臨界點。

科學(xué)家們在這種密度跳躍的不同晶體形式中徒勞無功。新結(jié)果質(zhì)疑它的存在。

“壓力引起的無定形冰與水之間的關(guān)系現(xiàn)在存在疑問，第二個臨界點甚至可能不存在，”Tulk說。