探究水结冰在什么温度（高温下竟可以结冰）

不知道大家第一回用高压锅的时候是不是都是胆战心惊地，看着往外喷涌的白气，生怕它下一秒就炸了。

这喷涌的白气正是水在高温的激励下转化成蒸汽的一种表现。我们都知道，水有三种形态：固态的冰、液态的水、气态的蒸汽。其中液态水作为生命之源，塑造了地球万物。

然而如果你只认为“水”仅有这三种形态那就大错特错了，仅仅是冰，在此之前我们就曾知道17种结晶态。不过这个数字在2019年和2020年先后更新成了18种和19种（加上液态与气态，水的形态则是变成了20种和21种）。

其中第18种冰（第20种水）的温度可以高达2000℃，被称为“冰十八”，第19种冰则是我国科学家发现且证实的。

看到这里你可能会十分疑惑：“水在0℃结冰100℃蒸发，这是谁都知道的道理，怎么会蹦出一个2000℃的冰呢？”

实际上我们之所以拥有这个常识，是因为我们生活在标准大气压的环境下。如果气压改变，水的一些性质就会发生变化，就像是高原上气压低沸点可能只有八九十度。

那么相应的，如果气压高，那么水的沸点乃至冰的融点都会提升，如果气压足够高，水将会变成一个我们无法想象的状态，就像是上面说的温度高达2000℃的冰十八。

或许你可能想不到，这种“无法想象”的水可能广泛分布在我们的太阳系。

来自旅行者2号的异常

1986年1月24日，美国旅行者2号以81400公里的距离飞跃天王星。在最近接天王星的两个小时里，旅行者2号仔细研究了天王星系统，成功发现了两个环形系统和11个新的卫星。

然而，其携带的“磁场强度计”显示的数据却让研究人员十分疑惑。

按照我们一般的理解，星球的磁场一般会有南北两极，像是地球磁场就拥有南磁极和北磁极。而根据旅行者2号传回来的数据，天王星的磁场极为复杂，并非仅有南北两极，而且与其自转方向也不一致。

木星磁场

同样的现象也出现在海王星身上。这似乎意味着两颗巨星气态星球的“发电机”运转的电流并非运转于地核内，而是被禁锢在星球的薄外壳中。

为了解释这种反常的现象，科学家们在1988年首次预测了在天王星和海王星这种富含水的行星内部，由于极端压力和极端温度的存在，冰会变成一种反常的状态——冰十八。

冰十八

“冰十八”是一种冰存在的形式，它是一种超离子导体，和此前所有已知的水冰有所不同，它部分呈现固态，部分呈现液态，原本的水分子瓦解，氧原子构成一个立方晶格，氢原子可以自由流动穿过晶格。

可以打个比方，原本的水分子是由一个氧原子拉着两个氢原子组成，我们可以将氧原子视作父亲，两个氢原子视作女儿。在极端压力下，氧原子与氢原子拉着的手被迫放开，为了保护女儿们的安全，氧原子们手拉着手组成了一个小房间，为氢原子组成了活动的空间。虽然结构变了，但是由于氧原子和氢原子的数目没变，我们还认为它是一种水。

科学家们认为，正是冰十八广泛存在于天王星、海王星的地幔中，才导致这两颗星球的磁场异常。而且，这种形态的水在太阳系内的含量可能超过其他所有星球其他形态的水，包括地球、小行星带等星球上的液态水和固态冰。

虽然科学家1988年就预测了冰十八的存在，但是直到2018年，科学家才从地球深处的钻石中观测到了冰7存在的证据。

显然，单靠地球的能力我们可能永远无法观测到自然状态下的冰十八，因此，科学家打算撸起袖子自己干。

在2019年5月8日，一篇发表自《自然》杂志的文章指出，来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家们成功在高能激光和X射线的帮助下制造出了冰十八。

被六束激光支配的恐惧

当这一层薄薄的液态水躺在实验台上时，它们并没有意识到接下来会发生什么。

随着几颗按钮的按下，六束巨大的激光产生了一系列强度逐渐增加的冲击波，瞬间给予这层薄薄的液态水相当于400万倍大气压的压力并将其加热到最高2760℃的高温。

为了记录结晶变化过程并确定原子结构，研究人员用额外16束激光轰击了一个微小的铁箔，将其加热成热等离子并产生一束X射线。通过将X射线精确地照射压缩水的样本，记录下X射线衍射图，就能得到产生的全新冰晶的明确特征。

根据X射线得到的数据，激光轰击下的液态水并没有变成过热液体或者过热气体，而是原子冻结成固体，形成一种全新的冰晶——冰十八。

就像上文所说，在冰十八中，氧原子会被禁锢成立方晶格，氢原子可以从一个位置跳到另一个位置，但是由于速度很快，仿佛就像是流动一般。松散的氢原子还可以提高冰十八的熵值，增加其稳定性，提高融点。

同时氢原子还会电离产生带正电的质子，这意味着冰十八能够导电。科学家认为，正是冰十八的导电能力，使得天王星与海王星的磁场混乱。

冰十八看上去是黑色的，同等体积的冰18的质量是普通冰的4倍。

科学家分析，在天王星和海王星的内部，流动的液体层可能会在距地心8000公里处停止，再往深处就是由冰18构成的“地幔”。由于冰18不同以往的导电能力，从而促使这两颗星球产生了不同的磁场。

除了冰十八外，中国科学家也在今年，也就是2020年发现了冰的第19种形态，也是水的第21种形态：二维冰Ⅰ相。

中国成果

2020年1月1日，由北京大学、美国内布拉斯加大学和中科院的研究团队撰写的论文发布在了顶级期刊《自然》上。根据该论文的描述，研究人员首次证实了二维冰的存在，并将其命名为“二维冰Ⅰ相”。

在实验中，研究人员通过控制温度和压力，在疏水的金衬底上生长出一种单晶二维冰结构，每个水分子与同一层水分子形成三个氢键，与上下层水分子形成一个氢键，由于氢键饱和，这个结构的冰晶十分稳定。

这些冰晶不再是传统的四面体结构，而是六边形二维结构。

通过将二维冰的温度从-153℃快速降到-268℃，科学家成功将二维冰生长过程冻结下来，并进行了稳定的成像观测。

早在1997年，美国科学家古贺、曾晓成等就曾预言过这种冰的存在，但直到这次实验，人们才首次真正得到了二维冰存在的证据。

写在最后

超乎往常的条件会塑造超乎想像的物质，正如这温度高达2000多摄氏度的冰十八。谁又能想到这极端的冰十八可能会比太阳系内所有的液态水加起来还要多呢？

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