用重水制得有序冰

图片来源：pixabay

撰文 | 埃莉斯·卡茨（Elise Cutts）

翻译 | 林清

 

对于水冰，无论是寒冷多霜的早晨落下的雪还是窗户上结的霜，只有氧原子是有序排列，水（冰）分子其余的两个氢原子则在周围随机排列。

相比之下，氢原子整齐排列的有序冰最有可能存在于宇宙的其他角落，比如气态巨行星的高压内核。这类冰的形成速度非常缓慢，在实验室里研究这些奇异冰会很棘手。不过，在一项发表于《美国科学院院刊》（PNAS）子刊PNASNexus的研究中，研究人员发现了制造有序冰的诀窍，得到了“冰14”（冰的第14种形态）。它的形成速度比之前快了近100倍，仅需几天时间而不用等上数年。

意大利国家研究理事会应用物理研究所（CNR-IFAC）的凝聚态物理学家莱奥纳尔多·德尔罗索（Leonardodel Rosso）也在研究有序冰。“结果非常清楚，也很有帮助，”德尔罗索说，“这种策略可以用来制造冰14，但也许可以拓展到其他形态的冰——我希望如此。”

冰14是在低温和极高压力——大约是太平洋马里亚纳海沟底部压力的10倍——下形成的，分子结构呈双螺旋状，就像DNA一样。更奇特的是，由冰14或其他有序冰构成的冰川容易碎裂，而不是发生变形。这项研究的第一作者克里斯蒂娜·托瑙尔（ChristinaTonauer）目前在德国电子同步加速器研究所（Deutsches Elektronen Synchrotron，简称DESY）做博士后，这项研究是托瑙尔还在奥地利因斯布鲁克大学（Universityof Innsbruck）读博时开展的。她说，当她人为研磨那些样品时，就感觉到它们和普通冰在质地上存在差异。

即便在合适的条件下，有序冰的形成也很缓慢，因为氢原子会被束缚在晶格中，无法自由移动。对于重水（其氘原子核含有一个中子和一个质子）制冰而言，这种几何阻挫表现得更严重，给尝试用重水制有序冰的科学家带来了挑战。

为了解决这一问题，研究人员往重水里掺杂了少量化学物质，使晶格产生缺陷。这些缺陷可以增强氘原子的流动性，以便它们重新排列成有序结构。这项策略能够显著提高冰的有序性，“很有创新性，”日本东京大学的晶体学家小松和晖（KazukiKomatsu）说。

这种新策略让托瑙尔的团队用重水快速制出了冰14，冰的有序性也比以前提高了大约两倍。

“之前，我们还无法获得如此高度有序的冰，”托瑙尔说，“但如今，我们在实验室里花上一天时间就能制成这样的冰了。”

本文选自《环球科学》2024年4月刊“前沿”栏目。