神奇塑化冰VII：固體外殼下的液態旋轉奇蹟

水可不只是液態、冰態或氣態而已。在極端條件下，它能夠轉變成各種奇特的相態，就像最近新觀測到的塑化冰VII。

在日常生活中，我們常見的水有三種狀態：固態、液態或氣態。然而，在高溫高壓的極端環境下，水會呈現出許多其他形態，有些形態非常特殊，科學家們稱之為「奇特相態」。透過法國勞厄 - 朗之萬研究所（ILL）的先進中子光譜儀和特殊設備，研究人員首次在實驗中觀測到了其中一種難以捉摸的狀態：塑化冰VII。

早在15年前，科學家就透過分子動力學（MD）模擬預測了塑化冰VII的存在。法國國家科學研究中心（CNRS）的研究主任、羅馬大學「智慧女神」分校副教授以及瑞士洛桑聯邦理工學院的相關科學家利維婭・埃萊奧諾拉・博韋解釋說，塑化相是一種融合了固體和液體特性的混合狀態。在塑化冰中，水分子像在冰VII中一樣形成了一個堅硬的立方晶格，但它們也會快速旋轉，就像水分子在液態水中的運動方式。

為了研究這些快速的分子運動，研究人員採用了準彈性中子散射（QENS）技術，這是一種特別適合檢測平移和旋轉動力學的方法。該研究的主要作者、羅馬大學博士生瑪麗亞・雷西尼奧解釋說，與其他光譜技術相比，QENS能夠探測平移和旋轉動力學的能力，在探索這種奇特的相變方面具有獨特的優勢。

通過改變溫度和壓力，研究團隊確定了水的三種不同狀態：液態水，分子在旋轉和平移上都能自由移動；固態冰，所有運動都被凍結；以及塑化冰VII，這是一種中間相，分子保持其堅硬的結構，但仍會繼續旋轉。

揭示塑化冰VII的實驗是在ILL使用飛行時間光譜儀IN5和IN6 - SHARP進行的。要產生這種奇特的水狀態，需要高達450 - 600 K的溫度和0.1至6 GPa（高達正常大氣壓力的6萬倍）的壓力。博韋、CNRS研究主任斯特凡・克洛茨和ILL科學家邁克爾・馬雷克・科扎在ILL的一個長期項目中合作取得的近期技術進步，使得在中子光譜學中實現如此苛刻的熱力學條件成為可能。

科扎強調，這項研究的成功依賴於ILL多年來積累的豐富專業知識和獨特的基礎設施，特別是在複雜樣品環境和高壓方面。此外，ILL光譜儀的不斷改進，例如在「耐力」升級計劃中所做的改進，也促進了使用先進儀器進行的越來越精密的實驗。

對中子散射數據的全面分析還顯示，塑化冰VII的分子動力學可能比MD模擬最初預測的更複雜。雷西尼奧解釋說，QENS測量表明，塑化冰VII的分子旋轉機制與最初預期的自由轉子行為不同。額外的MD模擬以及馬爾可夫鏈分析，提供了水分子動力學的更詳細圖景。一種在跳轉轉子塑化晶體中常見的四重旋轉模型，被確定為最有可能的機制。

為了探索從冰VII到塑化冰VII的相變性質，研究人員分別在ILL的D20衍射儀和礦物學、材料物理學和宇宙化學研究所（IMPMC）進行了中子和X射線衍射測量。博韋解釋說，根據所使用的模擬方法，這種相變預計為一級相變或連續相變。連續相變的情況非常有趣，因為它暗示塑化相可能是難以捉摸的超離子相的前體——超離子相是另一種在更高溫度和壓力下預測的水的混合奇特相態，在這種相態中，氫可以在氧結晶結構中自由擴散。

塑化相和超離子相在行星科學中都非常受關注，它們可能對我們理解像木衛三、木衛四這樣的冰衛星以及天王星和海王星這樣的冰行星的內部結構和冰川流動有著重要的意義。中子散射傳統上並不是行星科學中的首選技術。然而，它能夠精確測量材料中氫的位置和動力學的獨特能力，再加上最近能夠在與行星相關的壓力下進行實驗，使得中子散射在這個領域產生了重大影響。或許，還有更多奇特的相態等待我們去發現。

參考文獻：《通過準彈性中子散射對塑化冰VII的實驗觀測》，2025年2月12日，《自然》雜誌。DOI：10.1038/s41586 - 025 - 08750 - 4