世界首次！Science: 成功制造出与水密度相当的玻璃态冰！
发布者：刘德桃发布时间：2023-03-07浏览次数：10
英国伦敦大学学院（UCL）研究创造出一种史无前例的“中等密度无定形冰”，其密度几乎与水相同。更有意思的是，其具有特别奇怪的性质，就是在加热时会释放热量，并转换为通常状态的冰。普通冰的密度比水低大约 10%，因此它可以很好地漂浮在水面上。但是把这种冰放入水中，其则会沉入其中，因为它的密度更接近水。普通冰的形态是水分子有序排列的晶体，而新型冰的分子像既像液态水一样具有无序排列的分子，又兼备固体的外观。因此，研究人员表示，新型冰可能是严格意义上的“玻璃化液态水”，而不是“冰”。详细的研究发表在2023年2月的Science上。https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq2105中小学课本上写着，随着温度的升高，物质会变成固态、液态、气态三种状态。例如，液体是指分子随机排列的状态，固体是指分子规则排列的状态。换句话说，当随机漂浮的分子结晶时，它们就会变成固体。例如，普通的冰（固体水）呈分子有序排列的“晶体”状态。但是，世界上存在非结晶固体。这种状态称为无定形。这也表现为介于固体和液体之间的一种中间状态，而玻璃就是这种状态下的典型物质。事实上，如果设计出冷却方法，即使是水也可以冻结成非结晶状态，在这种状态下，分子排列仍然像液体一样随机。非结晶冰可能很难想象，但实际上，结晶冰在太空中更为罕见。例如，在 1930 年代进行的研究通过将水蒸气附着在极冷物质的表面上，成功地制造出了密度低于水的低密度无定形冰（每 1 立方厘米 0.94 克）。如此低温环境下的水蒸气冷却现象是形成漂浮在太空中的冰块的原理，而低密度无定形冰被认为是太空中最常见的冰态。80年代，通过在低温环境下压缩普通冰，成功制造出“高密度无定形冰（每 1 立方厘米 1.13 克）”。这种致密的无定形冰被认为在远离恒星的寒冷气态行星的内部很常见。普通物质在从气态变为液态再变为固态时，密度增加，体积减小。（例如蜡等）然而，当水 (H2O) 结晶时，它比液态时排列更规则，间隙更多。因此，冬天结冰时，会造成水管爆裂等损坏。图1. 普通形态的冰通过在接近零下200度左右的条件下粉碎，得到了中等密度冰此外，随着密度降低，冰获得了漂浮在水面上的特性。低密度无定形冰与普通冰在性质上没有太大区别，但密度高于水的高密度无定形冰在水中下沉或体积在水中收缩，表现出不寻常的性质。目前还没有人工创造出与水保持相同密度的中等密度无定形冰。然而，剑桥大学之前的模拟表明，在寒冷的环境中粉碎普通冰可以产生中等密度的无定形冰。这一次，伦敦大学学院尝试在77K（-196°C）的环境下，用一种叫做“球磨机”的装置，通过将钢球放入容器中，剧烈振动来粉碎普通的冰，来获得中等密度的无定形冰（图1，图2）。球磨机是一种主要用于工业领域的设备，用于将块状固体磨成粉末。由于在低温下粉碎冰，普通冰的晶体结构被模拟破坏（剪切，如下图），产生了密度接近水的中等密度无定形冰（1.06 g/cm3 ）。如上所述，玻璃处于无定形状态，而不是晶体（固体）。因此，即使它处于固态，如果长时间处于重力作用下，它也会像粘性液体一样流动。事实上，如果你精确测量安装在旧建筑中的旧窗户玻璃，你会发现玻璃会因重力而流动，并且底部比顶部厚。因此，研究人员说，中等密度的无定形冰可以被认为是一种“玻璃化 H2O” 。研究人员还表示，中等密度的无定形冰可能是“冰卫星”的重要组成部分，例如太阳系外的木星欧罗巴和土星土卫二。有可能这些冰冷的卫星在气态巨行星的引力作用下反复破碎（剪切），像球磨机一样不断产生中等密度的无定形冰。研究人员随后测试了是否能将中等密度的无定形冰加热，让其变成正常冰。结果发现，当中等密度的无定形冰从77K（-196℃）加热到153K（-120℃）时，它变成了正常的冰晶结构。有趣的是，还发现中等密度的无定形冰在加热的同时会释放热量。这种放热现象在其他无定形冰中不会发生，是中等密度无定形冰中才会出现的现象。因此，研究人员得出结论，中等密度的无定形冰以某种方式储存机械能，并具有通过加热释放机械能的能力。
