科技日报北京11月9日电 （记者张佳欣）韩国标准科学研究院研究团队首次在室温、超高压（超过2吉帕）条件下，观测到水在百万分之一秒（微秒）内经历的多重冻结与融化过程，并据此发现了人类已知的第21种冰相，命名为“冰XXI”。这一成果揭示了此前从未发现的水结晶路径，为理解水在极端环境中的结构变化提供了新视角。相关论文发表于新一期《自然·材料》杂志。
用于产生超压缩状态的动态金刚石对顶砧内部（可以看到一对金刚石压砧）。图片来源：韩国标准科学研究院
通常，水在温度降至0℃以下时会结冰。但事实上，冰也可在室温甚至高于沸点的温度下形成，因为结晶（液体转变为固体的过程）不仅受温度影响，也受压力制约。例如在室温下，当水受到的压力超过0.96吉帕时，就会发生相变，形成一种称为“冰Ⅵ”的晶体结构。过去一个世纪中，研究人员通过改变温度与压力，已在实验中发现20种不同的冰相结构。然而，在0—2吉帕这一压力区间，水的相变最为复杂，超过10种冰相密集存在，结构极为多样。
研究团队利用自主研制的动态金刚石对顶砧（dDAC），首次在室温下生成了“超压缩液态水”，即在超过2吉帕的压力下仍保持液态的水。这一压力是已知结晶压力的两倍以上。dDAC装置利用压电驱动，可在毫秒级时间内均匀加压，避免传统设备因机械扰动引发的结晶误差。团队利用微秒级时间分辨率实时捕捉结晶过程，观察到水在极端压力下出现了复杂的多重结晶路径。
实验结果显示，在这些快速相变中，水会经历此前未被发现的过渡结构，并最终形成一种全新的冰相，即冰XXI。这种新冰具有异常庞大而复杂的晶胞结构，其晶格单元呈扁平矩形，形态独特，与此前所有已知冰相显著不同。
冰XXI的密度与木星、土星冰卫星内部的高压冰层相近，这一发现可能为研究极端条件下生命起源提供新线索。研究团队表示，未来将进一步探索超高压下水与冰的相变规律，为开发新型材料、理解行星内部物质演化提供科学依据。
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