科技日報記者 張佳欣
韓國標準科學研究院研究團隊首次在室溫、超高壓（超過2吉帕）條件下，觀測到水在百萬分之一秒（微秒）內經歷的多重凍結與融化過程，并據此發現了人類已知的第21種冰相，命名為“冰XXI”。這一成果揭示了此前從未發現的水結晶路徑，為理解水在極端環境中的結構變化提供了新視角。相關論文發表于新一期《自然·材料》雜志。
通常，水在溫度降至0℃以下時會結冰。但事實上，冰也可在室溫甚至高于沸點的溫度下形成，因為結晶（液體轉變為固體的過程）不僅受溫度影響，也受壓力制約。例如在室溫下，當水受到的壓力超過0.96吉帕時，就會發生相變，形成一種稱為“冰Ⅵ”的晶體結構。過去一個世紀中，研究人員通過改變溫度與壓力，已在實驗中發現20種不同的冰相結構。然而，在0—2吉帕這一壓力區間，水的相變最為復雜，超過10種冰相密集存在，結構極為多樣。
研究團隊利用自主研制的動態金剛石對頂砧（dDAC），首次在室溫下生成了“超壓縮液態水”，即在超過2吉帕的壓力下仍保持液態的水。這一壓力是已知結晶壓力的兩倍以上。dDAC裝置利用壓電驅動，可在毫秒級時間內均勻加壓，避免傳統設備因機械擾動引發的結晶誤差。團隊利用微秒級時間分辨率實時捕捉結晶過程，觀察到水在極端壓力下出現了復雜的多重結晶路徑。
實驗結果顯示，在這些快速相變中，水會經歷此前未被發現的過渡結構，并最終形成一種全新的冰相，即冰XXI。這種新冰具有異常龐大而復雜的晶胞結構，其晶格單元呈扁平矩形，形態獨特，與此前所有已知冰相顯著不同。
冰XXI的密度與木星、土星冰衛星內部的高壓冰層相近，這一發現可能為研究極端條件下生命起源提供新線索。研究團隊表示，未來將進一步探索超高壓下水與冰的相變規律，為開發新型材料、理解行星內部物質演化提供科學依據。
