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PNAS
Nexus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(Leonardo
del 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(Christina
Tonauer)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(University
of 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(Kazuki
Komatsu)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。
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