最脆的冰是什么（我们熟悉的冰竟有19种）

天王星和海王星的“地幔”也许正是由冰XVⅢ构成的，这是它们拥有奇特磁场的原因。

冰是我们非常熟悉的东西，水在温度降到0℃以下时就会冻结成冰。但是你真的熟悉冰吗？你知道，到目前为止，科学家已发现了19种冰吗？

冰的“同胞”兄弟

你没有看错，现在地球上的冰确实可分为19种，就在2021年2月，奥地利因斯布鲁克大学的物理化学家托马斯·洛尔汀称及其团队制出了地球上第19种冰——冰XIX。你一定很奇怪，平时我们见到的冰，不都是一块块透明无色的固体吗？它们是如何分成19种的？

在地球表面上，大气压力为1.0×10^3帕（一个标准大气压），在这种压力条件下，水在0℃时会发生冻结。但我们知道，随着压力的升高，物体的沸点会升高，同样地，物体的冰点也会升高，而物体内部的原子排序也会发生变化，从而影响物体的理化性质，这时我们就可以认为，产生了一种新的物质。

冰I是地球上随处可见的那种冰，氧原子呈六边形排列，其中的氢原子在不同的空间方向上随机取向，原子间没有确定的排序，因此冰I在压力变化时可以发生变形，这就是冰川流动的原因。但在其他压力和温度条件下冻结的冰，氧原子的排列方式会发生变化，有的会呈四方形，有的呈现笼子形，等等。这样一来，氢原子和氧原子的间距会发生变化，间距变窄时，就会迫使氧原子间的氢原子也形成固定的排序，这种有序的冰非常脆，在压力变化时会碎裂而不是变形。此外，由于原子间距的变化，原子间的作用力也会发生改变，这些原子就不再像冰I中的氢氧原子那么“冷漠”，它们可能会与其他物体原子发生互动，从而产生意想不到的作用。

1900年，德国的物理化学家古斯塔夫·塔曼就提出了在不同的压力和温度下冻结水，能制造出不同的冰的观点，并用200兆帕的高压和-70℃～-80℃的温度制出了世界上第二种冰——氧原子呈立方体排列的冰Ⅱ。后人通过进一步调整温度和压力，创造出了冰Ⅲ、冰Ⅳ……直到冰XVⅢ。

物理学家创建出冰XV的时候，发现了它与冰Ⅵ存在与其他冰兄弟不一样的关系：它们是更亲近的“孪生兄弟”。冰XV和冰Ⅵ的密度非常相似，因为它们共享相同的氧原子结构网络，只是其中的氢原子排布顺序不相同。这意味着，只需要改变压力和温度条件，这两种冰的形态可以相互转换。这种规律被洛尔汀称的团队用来制造出冰XIX：通过将冰XV冷却至-170℃，并将压力大幅提高至2千兆帕。反过来，在常压下加热冰XIX，就可以得到冰XV和冰Ⅵ。这是制造冰兄弟的另一种方法，显然这种方法有利于更高效地发现或创造新型冰。

“冰兄弟”广泛存在于外星球

了解了冰兄弟的种类，你一定有这样的疑惑，虽然冰有许多类型，但是在地球表面，正常情况下只能存在一种冰，其他冰造出来很快就化了，并没有什么实际作用，科学家们为什么要花费这么大的力气制造这些冰呢？

虽然，地球表面只存在一种天然冰，但是在地球深处和宇宙中其他星球上，可能广泛存在着其他类型的冰。地球深处的冰能与其他物质结合成新的状态，了解这些状态，有利于解决一些长久未决的难题。外星球中冰的存在，既解释了一些此前未知的星球谜团，也证明了外星球中可能存在水，而水是生命起源必不可少的物质。这正是了解冰的类型的意义所在。

1986年1月24日，美国的星际探测器“旅行者2号”抵达天王星附近，对天王星的一些基本情况进行了探测。在“旅行者2号”传回的数据中，研究人员发现了一个让人迷惑的现象。太阳系中存在一些像地球一样拥有磁场的行星，这些磁场与地磁场类似，拥有明确的南极和北极，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，它拥有多个磁极，而且磁力线流动方向与其自转方向也不一致。天王星并不是特例，同样的现象也出现在了海王星身上。

地磁场之所以有明确的两极，是因为地核中的液态铁呈现规律性的流动，产生了方向固定的电流，因此地磁场的方向也基本保持稳定。天王星和海王星的磁场方向如此混乱，只能以地核中并不存在规律运转的“发电机”，其电场和电流存在于外壳的各个角落，因此产生的磁力线方向各异来解释了。为了支撑这种解释，1988年，科学家预测了在天王星和海王星的内部，由于极端压力和极端温度的存在，水会冻结成一种新型冰——冰XVⅢ，这是一种可以导电的冰，因此才产生了多种方向的电场和磁场。

直到2019年5月，这个猜想才得到了证实：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XVⅢ。在实验室的桌面上，放置着两颗相对的钻石，钻石之间夹着一层薄薄的水。当科学家按下激光器的按钮，6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，一种新的氧立方体的冰形成了，这就是冰XVⅢ。

虽然冰XVⅢ很快就融化了，但X射线在瞬间扫描了冰XVⅢ，记录下了它的原子结构。根据X射线得到的数据，在冰XVⅢ中，氧原子会被禁锢成立方晶格，原子之间距离很近，因此有些氢原子可以在相邻水分子之间移动，由于速度很快，仿佛在流动一般。在流动的过程中，电子没能追上质子的步伐，被遗弃在原地，最终参与流动的实际上是带正电的质子，这样，冰XVⅢ中就产生了电流，这也是冰XVⅢ能够导电的原因。在天王星和海王星的内部，也许正是由冰XVⅢ构成的“地幔”，由于冰XVⅢ具有奇特的导电能力，从而促使这两颗星球产生了不同的磁场。

地壳深处的“冰兄弟”

不仅是外星球，地球深处也存在着一些不同的“冰兄弟”，它们构成了束缚某些物质的“笼子”。2014年，德国哥廷根大学的科学家在氖气水合物中找到了天然存在的冰XVI。气体水合物是一种笼形晶体状的冰，外来气体分子被水分子氢键所结成的晶体网络坚实地围在其中。研究人员将氖气水合物中的氖气抽出，仅剩由水分子形成的晶体结构，这就是冰XVI，它是冰结晶形式中密度最小的一种，因此能束缚住质量很小的氖气。

除了氖气水合物，在地壳深处还存在着其他类型的气体水合物，比如在永冻土层和海床中大量存在的甲烷水合物（即可燃冰）。一些科学家设想，如果能将可燃冰中的甲烷释放出来用作能源，同时将二氧化碳固定在气体水合物中，则既可获取能源又能减少大气中的温室气体。寻找到能实现这一重任的“冰兄弟”，也许能实现这一设想。

此外，在石油、天然气运输过程中，特殊的压力和温度环境易使一些气体和水形成气体水合物，从而堵塞管道。研究人员认为，对气体水合物的进一步了解也有助解决这一问题。

19种“个性”大不相同的冰兄弟也许遍布宇宙的各个角落，发挥着各不相同的作用。未来，冰块还会给我们什么惊喜呢？