高压下冰可以有十几种结构,而且有些比水密度大
水在不同压力下可形成至少18种不同结构的冰。
反常识钩子
我们熟悉的冰(冰Ih)只是水固态家族中的一员。在高压下,水分子被迫排列成各种奇怪的结构,有的冰甚至比液态水还重,会沉下去。
到底是怎么回事
在常压下,水冻成六方晶系的冰Ih。当压力升高(比如几万到几十万个大气压),水分子会重新排列,形成冰II、冰III……直到冰XVIII(2019年确认)。这些高压冰熔点可达几百摄氏度,有的密度高达1.5倍于水。
背后的机制
水分子通过氢键连接,常压下形成四面体开放结构,密度较低。高压迫使分子挤得更紧,打破常规氢键,形成更致密的晶格(如冰VI、冰VII)。在极高压力(>100 GPa)下,水甚至可能变成超离子态——氧原子固定,氢原子自由移动。
容易误解
并非所有冰相都在低温下稳定。有些高压冰在室温下即可存在(如冰VII在3 GPa以上稳定)。它们并非“更冰”,而是同一种物质的不同固态相。此外,冰相研究多在实验室进行,自然界的冰通常只有冰Ih和少量冰XI(在极地低温)。
一句话带走
水的相图比你想的复杂得多——高压之下,连冰都要重新排队。