我們熟悉的冰竟有19種！

安波

冰是我們非常熟悉的東西，水在溫度降到0℃以下時就會凍結(jié)成冰。但是你真的熟悉冰嗎？你知道，到目前為止，科學家已發(fā)現(xiàn)了19種冰嗎？

冰的“同胞”兄弟

你沒有看錯，現(xiàn)在地球上的冰確實可分為19種，就在2021年2月，奧地利因斯布魯克大學的物理化學家托馬斯·洛爾汀稱及其團隊制出了地球上第19種冰——冰XI X。你一定很奇怪，平時我們見到的冰，不都是一塊塊透明無色的固體嗎？它們是如何分成19種的？

在地球表面上，大氣壓力為1.0×103帕（一個標準大氣壓），在這種壓力條件下，水在0℃時會發(fā)生凍結(jié)。但我們知道，隨著壓力的升高，物體的沸點會升高，同樣地，物體的冰點也會升高，而物體內(nèi)部的原子排序也會發(fā)生變化，從而影響物體的理化性質(zhì)，這時我們就可以認為，產(chǎn)生了一種新的物質(zhì)。

冰I是地球上隨處可見的那種冰，氧原子呈六邊形排列，其中的氫原子在不同的空間方向上隨機取向，原子間沒有確定的排序，因此冰I在壓力變化時可以發(fā)生變形，這就是冰川流動的原因。但在其他壓力和溫度條件下凍結(jié)的冰，氧原子的排列方式會發(fā)生變化，有的會呈四方形，有的呈現(xiàn)籠子形，等等。這樣一來，氫原子和氧原子的間距會發(fā)生變化，間距變窄時，就會迫使氧原子間的氫原子也形成固定的排序，這種有序的冰非常脆，在壓力變化時會碎裂而不是變形。此外，由于原子間距的變化，原子間的作用力也會發(fā)生改變，這些原子就不再像冰I中的氫氧原子那么“冷漠”，它們可能會與其他物體原子發(fā)生互動，從而產(chǎn)生意想不到的作用。

1900年，德國的物理化學家古斯塔夫·塔曼就提出了在不同的壓力和溫度下凍結(jié)水，能制造出不同的冰的觀點，并用200兆帕的高壓和-70℃～-80℃的溫度制出了世界上第二種冰——氧原子呈立方體排列的冰Ⅱ。后人通過進一步調(diào)整溫度和壓力，創(chuàng)造出了冰Ⅲ、冰Ⅳ……直到冰XVⅢ。

物理學家創(chuàng)建出冰X V的時候，發(fā)現(xiàn)了它與冰Ⅵ存在與其他冰兄弟不一樣的關(guān)系：它們是更親近的“孿生兄弟”。冰XV和冰Ⅵ的密度非常相似，因為它們共享相同的氧原子結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡，只是其中的氫原子排布順序不相同。這意味著，只需要改變壓力和溫度條件，這兩種冰的形態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換。這種規(guī)律被洛爾汀稱的團隊用來制造出冰XIX：通過將冰XV冷卻至-170℃，并將壓力大幅提高至2千兆帕。反過來，在常壓下加熱冰XIX，就可以得到冰X V和冰Ⅵ。這是制造冰兄弟的另一種方法，顯然這種方法有利于更高效地發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造新型冰。

“冰兄弟”廣泛存在于外星球

“冰兄弟”廣泛存在于外星球快就化了，并沒有什么實際作用，科學家們?yōu)槭裁匆ㄙM這么大的力氣制造這些冰呢？

雖然，地球表面只存在一種天然冰，但是在地球深處和宇宙中其他星球上，可能廣泛存在著其他類型的冰。地球深處的冰能與其他物質(zhì)結(jié)合成新的狀態(tài)，了解這些狀態(tài)，有利于解決一些長久未決的難題。外星球中冰的存在，既解釋了一些此前未知的星球謎團，也證明了外星球中可能存在水，而水是生命起源必不可少的物質(zhì)。這正是了解冰的類型的意義所在。

1986年1月24日，美國的星際探測器“旅行者2號”抵達天王星附近，對天王星的一些基本情況進行了探測。在“旅行者2號”傳回的數(shù)據(jù)中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個讓人迷惑的現(xiàn)象。太陽系中存在一些像地球一樣擁有磁場的行星，這些磁場與地磁場類似，擁有明確的南極和北極，而根據(jù)“旅行者2號”傳回來的數(shù)據(jù)，天王星的磁場極為復雜，并非僅有南北兩極，它擁有多個磁極，而且磁力線流動方向與其自轉(zhuǎn)方向也不一致。天王星并不是特例，同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在了海王星身上。

地磁場之所以有明確的兩極，是因為地核中的液態(tài)鐵呈現(xiàn)規(guī)律性的流動，產(chǎn)生了方向固定的電流，因此地磁場的方向也基本保持穩(wěn)定。天王星和海王星的磁場方向如此混亂，只能以地核中并不存在規(guī)律運轉(zhuǎn)的“發(fā)電機”，其電場和電流存在于外殼的各個角落，因此產(chǎn)生的磁力線方向各異來解釋了。為了支撐這種解釋，1988年，科學家預測了在天王星和海王星的內(nèi)部，由于極端壓力和極端溫度的存在，水會凍結(jié)成一種新型冰——冰XVⅢ，這是一種可以導電的冰，因此才產(chǎn)生了多種方向的電場和磁場。

直到2019年5月，這個猜想才得到了證實：美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學家們成功在高能激光和X射線的幫助下制造出了冰XVⅢ。在實驗室的桌面上，放置著兩顆相對的鉆石，鉆石之間夾著一層薄薄的水。當科學家按下激光器的按鈕，6束巨大的激光產(chǎn)生了一系列強度逐漸增加的沖擊波，瞬間給予這層薄薄的液態(tài)水相當于400萬倍大氣壓的壓力并將其加熱到最高2760℃的高溫，一種新的氧立方體的冰形成了，這就是冰XVⅢ。

雖然冰XVⅢ很快就融化了，但X射線在瞬間掃描了冰XVⅢ，記錄下了它的原子結(jié)構(gòu)。根據(jù)X射線得到的數(shù)據(jù)，在冰XVⅢ中，氧原子會被禁錮成立方晶格，原子之間距離很近，因此有些氫原子可以在相鄰水分子之間移動，由于速度很快，仿佛在流動一般。在流動的過程中，電子沒能追上質(zhì)子的步伐，被遺棄在原地，最終參與流動的實際上是帶正電的質(zhì)子，這樣，冰XVⅢ中就產(chǎn)生了電流，這也是冰XVⅢ能夠?qū)щ姷脑?。在天王星和海王星的?nèi)部，也許正是由冰XVⅢ構(gòu)成的“地?！保捎诒鵛VⅢ具有奇特的導電能力，從而促使這兩顆星球產(chǎn)生了不同的磁場。

地殼深處的“冰兄弟”

不僅是外星球，地球深處也存在著一些不同的“冰兄弟”，它們構(gòu)成了束縛某些物質(zhì)的“籠子”。2014年，德國哥廷根大學的科學家在氖氣水合物中找到了天然存在的冰XVI 。氣體水合物是一種籠形晶體狀的冰，外來氣體分子被水分子氫鍵所結(jié)成的晶體網(wǎng)絡堅實地圍在其中。研究人員將氖氣水合物中的氖氣抽出，僅剩由水分子形成的晶體結(jié)構(gòu)，這就是冰XVI，它是冰結(jié)晶形式中密度最小的一種，因此能束縛住質(zhì)量很小的氖氣。

除了氖氣水合物，在地殼深處還存在著其他類型的氣體水合物，比如在永凍土層和海床中大量存在的甲烷水合物（即可燃冰）。一些科學家設想，如果能將可燃冰中的甲烷釋放出來用作能源，同時將二氧化碳固定在氣體水合物中，則既可獲取能源又能減少大氣中的溫室氣體。尋找到能實現(xiàn)這一重任的“冰兄弟”，也許能實現(xiàn)這一設想。

此外，在石油、天然氣運輸過程中，特殊的壓力和溫度環(huán)境易使一些氣體和水形成氣體水合物，從而堵塞管道。研究人員認為，對氣體水合物的進一步了解也有助解決這一問題。

19種“個性”大不相同的冰兄弟也許遍布宇宙的各個角落，發(fā)揮著各不相同的作用。未來，冰塊還會給我們什么驚喜呢？