冰與水之歌:零度以下不結冰,魔鬼藏在密度裡!

在座各位地球人肯定對「水」一點不陌生。不論是液態水還是固態冰,在生活中都隨處可見。但如果你以為我們已經完全了解水和冰的構成與變化,那你可就錯了,因為它可是超乎想像的複雜。

冰也會七十二變?常見的物質竟然有這麼多型態!

學校裡教過的三相圖將水區分成固、液、氣三種相(Phase)。不過除了這種簡單的分類,固態的冰在不同的壓力與溫度條件下其實還有許多不同面貌。

小時候學過水的三相固體、液體、氣體,除此之外,其實固態冰還有其他型態。圖/Pexels

一般條件下,自然結凍的水只會呈現六角結晶或立方結晶,兩種晶體結構合稱為「冰一」(Ice I)。你可能有些好奇:既然有一,那或許會有二(咦)

沒錯!目前已知的冰共有二十幾種型態,比 iPhone 的型號還多!只是除了冰一之外,其他的型態都極為少見。

所謂少見是有多少見呢?

一直到 2017 年時,科學家才首次在實驗室中合成出冰七(Ice VII),這種稀有的結晶形態通常只有在彗星或系外行星上才見得到,因為它需要超大的壓力(例如:兩個含冰量豐富的小行星體對撞),才有可能形成。

實驗室中高壓環境下合成的冰七 。圖/實驗團隊(A. E. Gleason)提供

相隔一年後,另一組研究團隊利用 X 光繞射技術,在世界各地的鑽石中發現冰七的蹤影

為什麼鑽石中會有冰七?推測原因是由於當初在地底時,有少量水分被困在高溫高壓的鑽石礦脈中,而後這些水分隨著鑽石一同被挖掘到地表,雖然溫度下降到普通室溫,但堅固的鑽石內卻仍然維持著高壓。如此獨一無二的條件,讓冰七得以自然生成。

零度以下也不結冰?神秘的過冷水!

光是固態冰就有這麼多花樣了,水結冰的過程同樣也是科學家有興趣的主題。在 Science 期刊上最新的研究發現,過冷水其實是由兩種結構不同的形態混搭而成。

一般的情況下,零度以下的水需要一些雜質或擾動來「啟動」結晶的過程,才能凝固成冰。在缺乏這些條件時,水可以在零度以下仍維持液態,也就是所謂的「過冷」。

關於過冷水的理論模型可說是眾說紛紜,因為這種狀態十分不穩定,輕微的干擾就會讓過冷水全部結晶,讓實驗學家十分頭痛。另外,也很難單從實驗中觀察並判斷過冷水不結晶到底是不是因為還未達到熱平衡。

過冷水的狀態不穩定,稍微干擾就會全部結晶,也讓實驗學家十分頭疼。圖/giphy

以往的相關研究通常只能依賴分子模擬,不過最近在實驗上有了最新突破。

美國西北太平洋國家實驗室的研究人員準備了一片僅有 15 奈米厚的薄冰,接著利用短暫的雷射脈衝,極速加熱一小塊區域,使其轉為液態過冷水,直到它很快地降溫並重新結晶。

整個過程只有短短幾十奈秒,不過,這個突破已經足夠讓我們使用紅外線光譜來測量過冷水的分子結構。

結果發現,早在結晶開始的短短的幾十奈秒之間,過冷水就找到了它最舒服的平衡狀態;這個狀態還是由兩種結構不同的液體型態所組成,分為高密度與低密度結構,密度分別約為 0.9 和 1.1 g/cm3

實驗發現,過冷水中高密度水所佔的比例,會隨著溫度降低逐漸減少。也就是說,過冷水能在低於攝氏零度的環境下維持液態,很有可能是兩種不同密度的水比例不同所造成的。

其實,這種特殊的二元性質也能在一般常溫的液態水中看到,分為四面體和非四面體結構。不過這類的現象在過冷水是首次被發現,也為水在低溫時的行為提供重要的實驗數據。關於水的各種理論模型,我們終於得以區分何者較接近真實。

參考資料

  1. Water structure and science
  2. Gleason, A. E., Bolme, C. A., Galtier, E., Lee, H. J., Granados, E., Dolan, D. H., … & Swift, D. (2017). Compression freezing kinetics of water to ice VII. Physical Review Letters119(2), 025701.
  3. Tschauner, O., Huang, S., Greenberg, E., Prakapenka, V. B., Ma, C., Rossman, G. R., … & Tait, K. (2018). Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle. Science359(6380), 1136-1139.
  4. Kringle, L., Thornley, W. A., Kay, B. D., & Kimmel, G. A. (2020). Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K. Science369(6510), 1490-1492.
  5. Shi, R., & Tanaka, H. (2020). Direct evidence in the scattering function for the coexistence of two types of local structures in liquid water. Journal of the American Chemical Society142(6), 2868-2875.

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關於作者

林祉均

清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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