通过旨在创造超冷水状态的实验，能源部橡树岭国家实验室的科学家利用中子散射发现了一条通向意外形成冰层的致密结晶相的途径，这些冰层被认为存在于地球的极限之外。
观察这些特殊的结晶冰相，称为冰IX，冰XV和冰VIII，挑战了关于过冷水和无定形或非结晶冰的公认理论。研究人员在“ 自然 ”杂志上发表的研究结果也将有助于更好地了解冰及其在其他行星和卫星以及太空其他地方发现的各种阶段。
“氢和氧是宇宙中最丰富的元素之一，两者中最简单的分子化合物H2O是常见的，”ORNL中子散射科学家和主要作者Chris Tulk说。“事实上，一个流行的理论认为，大部分地球的水都是通过与冰彗星碰撞而来到这里的。”
在地球上，当水分子达到零摄氏度时，它们进入较低能量状态并沉降到六角形晶格上。这种冷冻形式表示为冰Ih，这是可以在家用冰柜或溜冰场中找到的最常见的水相。
冰IX，冰XV和冰VIII是至少17个冰相中的三个，当分子在不同的超低温和非常高的压力下重组成稳定的晶体结构时，在地球上不会自然发生。
“随着冰的变化阶段，它类似于水从气体变为液体变为固体，除非在低温和高压下 - 冰在各种不同的固体形式之间转换，”Tulk说。
每个已知的冰相的特征在于其在其压力 - 温度稳定范围内的独特晶体结构，其中分子达到平衡并且水分子呈现规则的三维图案，并且结构变得稳定。
最初，加拿大国家研究委员会和加利福尼亚大学洛杉矶分校的Tulk及其同事正在探索无定形冰的结构特性 - 这种冰形成的状态没有有序的晶体结构 - 因为它在更高的温度下再结晶压力。
为了制造无定形冰，科学家将水冷冻成高压装置，冷却至零下173摄氏度并加压至约10,000大气压，或每平方英寸147,000磅(汽车轮胎充气至约32磅每平方英寸)。
“这种类型的无定形冰被认为与液态水有关，并且理解这种联系是本研究的最初目的，”Tulk说。
在ORNL的散裂中子源，该团队冻结了一个3毫米的球体，或大约半滴的氘化水，在中子散射分析所需的氢核中有一个额外的中子。然后，他们将散裂中子和压力或SNAP衍射仪编程为零下173摄氏度。仪器每隔几小时增加压力直至411,000磅每平方英寸，或约28,000个大气压，同时收集每次加息之间的中子散射数据在压力。
“一旦我们实现了无定形冰，我们计划提高温度和压力，并观察当地的分子排序，因为无定形冰融化成过冷液体然后重结晶，”Tulk说。然而，在分析了数据后，他们惊讶地发现他们没有产生无定形冰，而是通过四个阶段的冰结晶变换，密度不断增加：从冰Ih到冰IX到冰XV到冰XIII。根本没有无定形冰的证据。
“我总是通过在低温下压缩冰来制造这些样品，”共同作者加拿大国家研究委员会的Dennis Klug说，该实验室最初发现了1984年压力引起的冰的非晶化。“我从来没有见过这种压力 - 温度路径导致像这样的一系列晶体形式。“
“如果我们实验的数据是真的，那就意味着无定形冰与液态水无关，而是两个结晶相之间的中断转换，这与广泛接受的理论有很大不同，”Klug补充说。
起初，该团队认为他们的观察是污染样本的结果。
在SNAP上用新鲜的，精心处理的样品进行的另外三次实验产生了相同的结果，重新确认了结构转化序列而没有形成无定形冰。
关键是压力增加缓慢，在较低压力下收集数据，使冰结构松弛，成为稳定的冰IX形态。先前的实验快速通过冰IX结构而没有松弛，这导致非晶相。
35年来，科学家们一直在研究超冷水的特性，并寻找被埋在固体冰相中的第二个临界点。但这些结果质疑它的存在。“压力引起的无定形冰与水之间的关系现在存在疑问，第二个临界点甚至可能不存在，”Tulk说。
“这篇论文的结果将成为未来在SNS进行的实验中对无定形冰相研究的分析基础，”他补充说。