迄今最輕的水——凝膠樣冰

在“常態冰”中,水在環境壓力下冷卻,其分子會冰凍成六角形態的固態晶體。但並非所有種類的冰都會遵循這種六角形結構。壓力和溫度會影響水在分子層面的數以百萬計的配置。六角冰和大氣層上方偶爾的立方體冰是地球上自然出現的僅有的兩種該類冰的形式。其他的冰或存在於外行星,或存在於外行星大氣層。

在大氣壓或更高的壓力下,水分子會被壓縮,然後冰凍會變為比常規冰密度更大的固態。然而當氣壓降低時,水分子會變成類似冰冷的棉花糖一類的密度更低、氣體更多的輕量態晶體。截至目前,人們僅知道兩種低密度的冰:太空的富勒烯密度相當於常態冰的80%;和沸石化的冰,它模仿瞭含礦物質的沸石,但水分子卻是像樂高積木塔一樣的構建模塊,是常態冰密度的50%和90%。但在此之前卻未發現更輕的冰結構。

人們從冰箱中取出的冰塊僅是冰存在的17種可能的形式之一,第18種冰距離成為現實也並不遙遠。一個研究團隊發現瞭一種多孔的、輕量級的“氣態冰”——氣凝膠的冰,它可以讓人們瞭解更多關於水如何在極端條件下運行的知識。

日本岡山大學的Masakazu Matsumoto和團隊采用玩分子“層層疊”的方式找到這種新種類的冰,去除及重新配置現有的沸石冰的結構,使它們變得更輕。他們模擬瞭300多種不同種類的納米層次結構,並評估瞭這些結構在低壓下有多穩定。這些氣態冰在0開爾文度時是穩定的,但會隨著溫度增加變得不穩定。他們發現,密度最小的氣態冰可以用水分子的節點配置作為模型,它們像珠子一樣把在大型氣態宮殿中的地面和天花板分隔開來。

Matsumoto認為,通過計算機建模,可以發現更多類似的冰,但他表示,在現實世界中很難創建超低密度的冰,因為需要低壓和低溫等條件。英國倫敦大學學院的Christoph Salzmann表示,這項工作有助人們瞭解水分子如何運動。

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