科技日報北京2月16日電 （記者劉霞）一個國際科研團隊借助位于法國勞厄-朗之萬研究所內先進的中子光譜儀等設施，首次觀測到水的奇異形態——“塑性冰七”（Plastic ice Ⅶ）。研究水的塑性態和超離子態，能幫助人們進一步理解木衛三、木衛四等冰衛星，以及天王星、海王星等冰行星的內部結構和冰川流動。相關論文發表于最新一期《自然》雜志。
圖片來源：物理學家組織網
一般而言，水有固態、液態和氣態3種基本形態。但實際上，水還擁有更多形態，其中一些僅在高溫高壓下出現，被稱為奇異態。15年前，科學家借助分子動力學模擬，預測了“塑性冰七”的存在，而此次研究則首次通過實驗觀測到了這一形態。
塑性態是一種混合態，兼具固態和液態的特性。在“塑性冰七”內，水分子形成剛性立方晶格——就像在“冰七”（一種立方結晶冰形，降至室溫后可在3GPa以上由液態水形成）內一樣，但同時又表現出液態水內的皮秒旋轉運動。這種奇特形態出現在177℃—327℃高溫、0.1GPa—6GPa（1GPa=10億帕）的壓力環境下。
準彈性中子散射（QENS）技術在此研究中發揮了關鍵作用。與其他光譜技術相比，QENS能更精準地探測物體的平移和旋轉動力學。通過QENS，團隊識別出了水在溫度和壓力發生變化時呈現出的3種不同形態：水分子同時存在平移和旋轉兩種運動的液態水；平移和旋轉都被凍結的固態冰；以及位于中間的“塑性冰七”。在“塑性冰七”內，排列成有序晶體結構的水分子失去了自由平移的能力，但保留了旋轉能力。
進一步分析表明，“塑性冰七”的分子動力學可能比最初模擬的更復雜，其分子旋轉機制不同于此前預測的自由轉子行為。而且，水從“冰七”到“塑性冰七”的轉變是連續的，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的“前身”。
在我們的日常生活中，水似乎平平無奇。實際上，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之一。這種形態不同于普通的冰，是水在極端高壓和特殊溫度條件下形成的高壓冰相。它能夠展現出類似塑料的柔韌性，兼具固態和液態的特性。目前，塑性冰七的相關研究仍處于探索階段，期待這種神奇形態的水未來能夠在新材料領域大放異彩。
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