在日常生活中，水的三種常見狀態是固態、液態和氣態。然而，在極端的高溫高壓條件下，水還可能形成一些特殊的“奇異相”。其中，一種被預測存在于其他星球的奇異冰相，塑性冰 VII（Plastic Ice VII），終于在實驗中得到了直接驗證。

現在，這一突破性研究成果已經發表在近期的《自然》雜志上。

一種獨特的混合相

在地球上，大部分冰都是由排列成晶格結構的水分子組成。在不同的溫度和壓力條件下，可以形成至少20種不同的冰相。當壓力超過20,000巴（20,000千克/平方厘米）時，冰的晶格就會被壓縮，形成冰VII。冰VII的分子排列呈致密的立方結構，就像魔方中的小立方體。科學家曾在地球地幔的鉆石樣本中發現冰VII，并推測它可能存在于其他星球內部。

15年前，分子動力學的計算機模擬預測，當冰VII在高溫和極高壓下，水分子的結構會排列成一個剛性的體心立方晶格（bcc）——與普通的冰VII類似，但又可以在皮秒（10?12 秒）尺度上持續旋轉——表現出液態般的旋轉自由度。

換言之，這是一種兼具固體與液體特性的混合態。可以想象，當擠壓這種冰時，它會變得更柔軟。因此，這種理論上的新冰相被命名為塑性冰VII，意味著它比典型的晶體冰更易形變，具備科學家所說的塑性。就像某種固體材料，即便仍然保持固態，也能像黏土一樣擠出形變。

然而，由于當時的技術無法在這種極端壓力下進行實驗，科學家無法直接證實塑性冰的存在。

突破性的實驗

在新的研究中，研究團隊利用準彈性中子散射（QENS）技術，做出了突破性的發現。QENS 技術是研究快速分子運動的理想工具。與其他光譜技術相比，QENS 具有獨特的優勢，能夠同時探測水分子的平移和旋轉動力學，從而深入研究這一奇異的相變過程。

利用這種技術，研究人員在450–600 K（約 177°C–327°C）的高溫，以及0.1–6 GPa（約為地球大氣壓的60,000 倍）的超高壓環境下，首次在實驗中直接確認了塑性冰 VII 的存在。

隨著溫度和壓力的變化，QENS觀察到三種不同的水相：

1、液態水：水分子既具有平移運動，也具有旋轉運動；

2、固態冰：水分子的平移和旋轉運動均被凍結；

3、塑性冰 VII（介于兩者之間）：水分子保持有序的晶體結構，失去自由移動能力，但仍然可以旋轉。

分子運動機制的新發現

對QENS數據的深入分析表明，塑性冰VII的分子動力學比最初的模擬預測的更加復雜。測量數據顯示，塑性冰VII的分子旋轉機制并不符合自由轉子（free rotor）模型的假設。

接著，研究人員對塑性冰VII進行了進一步的分子動力學模擬與馬爾可夫鏈分析，進而揭示了更詳細的水分子運動機制。最終，研究團隊確定了一種“四重旋轉模型”最符合實驗數據，這一模型通常適用于具有跳躍旋轉特征的塑性晶體。

此外，研究團隊還利用中子與X射線衍射實驗，探索了從冰VII到塑性冰VII的相變過程。根據不同的模擬方法，這一相變可能是一級相變或連續相變。如果它是連續相變，這將極具研究價值，因為這暗示著這種塑性相可能是超離子相的前驅態。在神秘的超離子相中，氫原子會在更高的溫度和壓力下自由擴散到氧原子構成的晶體結構中，形成另一種混合相。

對行星科學的意義

這一發現不僅加深了我們對水在極端條件下的復雜行為的理解，也為未來的行星探索提供了重要線索。

科學家推測，在木衛二、木衛三等冰質衛星形成初期，以及天王星和海王星等冰質行星中，塑性冰VII可能曾廣泛存在，并在這些天體的地質演化過程中發揮了重要作用。此外，塑性冰 VII 可能存在于系外行星的超深海洋底部，這些海洋的深度可達數千公里，甚至可能具備某種形式的宜居環境。

研究人員計劃，未來，他們將進一步研究塑性冰VII的熱力學性質，以及它在極端環境下的穩定性，這將有助于我們更準確地預測外星冰質天體的組成和演化。

#參考來源：

https://www.ill.eu/news-and-events/news/scientific-news/exotic-observations-at-the-ill

https://www.sciencenews.org/article/plastic-ice-alien-planets-liquid-solid

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08750-4

#圖片來源：

封面圖&首圖：Institut Laue-Langevin Communications Office