2019年，科学家在2000℃，将水变成了一种固液态共存的超离子冰

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2019年5月8日，科学家在2000℃的高温下，将水变成了一种固态和液态共存的超离子冰。高温下，为什么水没有变成蒸气而是变成了“冰”？在日常生活中，我们发现水有固、液、气三种形态，分别对应0℃以下的冰，常温下的水和蒸发形成的水蒸气，尤其是当水达到100℃的沸点时，就会变成大量的水蒸气。然而，早在1988年科学家们就发现了超级冰的存在，并于2018年首次在来自地球深处的钻石中，观测到了超级冰冰七。这些年来，科学家陆续发现了水的20种形态，其中除了水和水蒸气以外，其他形态都被认为与冰的结构相近，因此在命名时也都以“超级冰”或者“冰+数字”的形式命名。这些冰和我们常见的冰不同，比如其中有一种冰在0℃以下居然呈现出液态。科学家是在冰雹形成的过程中发现它的，也就是说它可能是水和冰，或者水蒸气和冰在互相转化时的一种中间状态。
液态冰之所以会存在是因为它们无法凝结成冰。水想要凝结成冰不仅需要0℃以下的低温，还需要有较为充足的凝结核。比如，在对流层里的水蒸气在不断积聚的时候，由于低温会趋向于变成水和小冰晶，但是只有充足的凝结核才足以让它们真正凝结成水和冰晶，乃至雪和冰雹。一般的河水和空气中都含有充足的凝结核微粒，但是如果是人类制造的纯水在0℃就不会结冰，而是形成“过冷水”，只有达到了零下35℃时才会结冰。2019年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家，利用高能激光和X射线，对水分子进行高压冲击，同时温度也升高到了2000℃。最终，科学家们得到了水的第20种形态“冰18”。冰18从肉眼看上去部分呈现固态，部分呈现液态，似乎只是一种冰水混合物，但科学家通过微观世界的观察发现，它内部只含有一种发子结构，而且与正常的冰和水不同。我们知道水分子的结构是“一个氧原子和两个氢原子”，构型像一个比老鼠的头。而冰18的水分子已经完全瓦解，氧原子单独构成了一个立方晶格结构，氢原子则在网格中自由流动，这也就是冰18固液共存的原因。
不过还有一个问题，那就是按照我们正常的理解，水在常温下就会变成水蒸气，到100℃以后更是会加快蒸发，根本不可能变成固态冰的形式。到了2000℃的高温，水要变化也只可能在气态形式下变化，为什么会变成固态和液态共存呢？其实，我们平时看到的水、冰和水蒸气都是在一个标准大气压下形成的，当大气压改变以后，它的性质和形态也会有所变化。比如，在青藏高原上由于海拔高，空气稀薄，大气压就比较低，水的沸点就会显著下降到80-90℃左右。也就是说原本需要100℃才沸腾的水，现在可能80℃就沸腾了，然后温度就不会再升高了。也正因此，在高原上烧饭，米饭是很难熟的，必须用高压锅。相反，如果是在高压下，水要结冰就不要降低到0℃以下了，只要压力足够大，理论上来说多高的温度都能形成“冰”。研究超级冰的意义重大，因为在宇宙中存在着无数种特殊环境和条件，它们会催生出很多超级冰。科学家推测，我们的太阳系就存在大量的超级冰，尤其是在太阳系边缘的天王星和海王星，它们的地壳深处很可能就存在大量的冰18。除了观察和研究冰相变化以外，超级冰能否应用到人类生活中似乎更加关键，科学家正在做相关尝试，未来它们可能会对材料学、生物学和大气科学产生重要影响。#头条创作挑战赛##超级冰##冰18#



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