水看似简单，却藏着连顶尖科学家都惊叹的奥秘。一项国际研究发现，水在极端压力下，即便处于室温也能冻结融化，还形成了新形态的冰XXI。它为何比普通冰重且会下沉？这5种冻结路径又能揭示哪些行星内部秘密？掌握这些发现，就能刷新对水的认知。
水看似简单，但其表现出的特性却常常让世界顶尖科学家感到惊讶。一项新的国际研究发现，即便在室温下，只要施加极端压力，水也能冻结和融化，并会经历5种不同的变化路径，最终形成一种名为"冰XXI"的新形态冰。
韩国标准科学研究院（KRISS）的研究人员与德国欧洲X射线自由电子激光（European XFEL）的工作人员合作开展了这项研究，欧洲X射线自由电子激光拥有世界上强度最高的X射线激光。他们使用了动态金刚石对顶砧装置，这种装置能够将水滴挤压在两个金刚石尖端之间，其精度达到了前所未有的水平。根据压缩程度的不同，产生的压力范围从每秒0.001吉帕到惊人的每秒120吉帕不等，这一压力是海平面气压的数百万倍。
研究团队在大约25摄氏度（接近室温）的温度下，反复将压力在约0.6吉帕到2.0吉帕之间升降。在数百次循环过程中，他们观察到水不断冻结和融化，并且每一次变化都被详细地记录下来。
为实现这一观测，他们将欧洲X射线自由电子激光的快速闪光（持续时间为百万分之一秒的X射线脉冲）与冰开始形成晶体的时间同步。这些图像使他们能够拍摄到"短片"，记录下在行星和卫星内部深处环境中冰的生长过程。
研究发现，水并非沿着单一、直接的路径从液态转变为固态，而是存在5种不同的冻结路径。有时，水会冻结成一种不太常见的形态——冰VI，之后再蒸发；有时，水会经历过渡态或"亚稳态"，其中一种亚稳态是此次新发现的，此前从未被观测到过。
在一些实验中，变化循环遵循"水→冰VI→水"的路径；在另一些实验中，则遵循"水→冰VII→冰VI→水"的路径。最复杂的路径包含三种连续的固态变化：冰XXI→冰VII→冰VI，之后才回到液态。这些相变过程的时间极短，仅为20到40微秒。
参与这项研究的汉堡德国电子同步加速器（DESY）研究中心的科尼利厄斯·施特罗姆（Cornelius Strohm）解释说，金刚石对顶砧装置"使我们能够按照预设的压力路径压缩样本，并实时观察所发生的变化"。数据显示，水的结晶过程并非只有一条"单行道"，而是存在一个隐藏的网络状路径系统。
在所有路径中，冰XXI的发现尤为引人注目。它在结构上与此前发现的20多种冰相都不同。其晶格呈"体心四方"结构——一种类似被拉长的立方体，具有对称平面，每个晶胞中包含152个水分子。这使得冰XXI比普通冰密度更大，这也是普通冰会漂浮而冰XXI会下沉的原因。
在约1.6吉帕的压力下，冰XXI的密度为1.413克/立方厘米。一旦形成，它不会逆转回之前的状态，而是会进一步转变为更稳定的冰VII和冰VI结构。这种单向转变过程表明它属于亚稳态——即在相同条件下，即便存在更稳定的状态，它也能维持一段时间。
韩国标准科学研究院的科学家李根宇（Geun Woo Lee）证实："水在快速压缩的情况下，即使达到原本会结晶成冰VI的压力，也能保持液态。"而这个"窗口"正是冰XXI这类特殊结构得以形成的关键。
为了观测原子层面的变化，科学家们将实验、分子动力学模拟与两种水的计算机模拟相结合。
当压力升高到2吉帕时，他们发现液态水的内部结构逐渐从冰VI特有的结构转变为冰VII特有的结构。分子排列的这种平稳调整，在一定程度上解释了为何在此过程中会形成多种不同的固态结构。
事实上，受压水并非从一种状态突然跳跃到另一种状态，而是会经过中间"区域"——在这些区域中，分子会先部分排列，之后再完全形成晶体。这些细微的变化表明，冻结过程与其说是由温度或压力决定的，不如说是由时间决定的——这取决于晶体形成速度与能量在流体中传递速度之间的微妙相互作用。
要捕捉发生在百万分之一秒内的事件，需要借助最先进的技术。欧洲X射线自由电子激光的研究人员记录了超短X射线脉冲，以捕捉每次相变过程中原子重组的方式。德国电子同步加速器PETRA III实验室开展的额外实验，证实了冰XXI的结构及其异常大的重复单元。
李根宇表示："借助欧洲X射线自由电子激光独特的X射线脉冲，我们发现了快速压缩下水结晶的多种路径。"经过上千次压缩和减压循环，相同的模式不断重复出现，这表明实验结果并非偶然，而是可复现的物理过程。
欧洲X射线自由电子激光的科学主任萨库拉·帕斯卡雷利（Sakura Pascarelli）对这一成果表示欢迎："听到我们的'水研究计划'（Water Call）提案又取得了出色成果，我感到非常高兴。该计划鼓励科学家探索这种宇宙中最基础但仍充满神秘的液体。"
水的丰富特性源于其分子的行为方式。每个水分子都能在多个方向形成氢键，当它们相互结合时，能形成数量惊人的不同结构。正是这种灵活性，使得压力或温度的微小变化就能产生截然不同的结构形态。
当水被缓慢压缩时，会冻结成稳定的冰VI或冰VII。然而，正如本研究所示，若对水进行快速压缩，液态水会处于"超压缩"状态。此时，它能暂时抵抗冻结，转而形成特殊的结构。
科学家认为，类似的过程可能在寒冷卫星（如土卫六泰坦和木卫三盖尼米得）的内部自然发生，这些卫星内部的压力和温度足以形成特殊类型的冰。德国电子同步加速器HIBEF研究所的科学家蕾切尔·哈斯本德（Rachel Husband）表示："我们的研究表明，在高温条件下可能存在更多亚稳态冰相，这为我们了解冰质卫星的结构提供了新视角。"
这项研究颠覆了关于水行为的传统认知。此前，科学家认为在1至2吉帕的压力范围内，冰VI是主要的冰相。如今他们认识到，这一区域存在多种相互竞争的冰相，每种冰相的形成都与分子结构的细微差异以及压力变化速度有关。
即便在室温下，高压状态下的水也不按常理出牌。它会在瞬间冻结、融化再重新冻结，形成的临时结构揭示出这种日常液体实际上具有极强的动态特性。
正如一位研究人员所指出的，每一滴水都"隐藏着一个有待发现的世界——只要你挤压得足够用力"。
冰XXI的发现有助于我们理解水在极端条件下的行为，例如在巨行星和冰质卫星的核心区域，那里的压力达到地球大气压的数百万倍。了解水在不同固态相之间的转化过程，能帮助行星科学家解读探测木星和土星卫星的任务所传回的信号。
这项研究也为材料科学领域提供了助力，因为控制物质的结晶方式是生产高性能合金、半导体和药物的核心。
除了实际应用价值，这项研究还提醒我们，即便是自然界中最简单的分子，也仍隐藏着能重塑我们对宇宙认知的秘密。
冰XXI的发现为我们揭示了水的全新特性，也为行星科学和材料科学带来新方向。但关于它在行星内部的具体分布，以及更多未知冰相的探索仍在继续。若获一次深空实验名额，你选黑洞、系外行星还是早期宇宙？为什么？
