冰，作為水的固態(tài)形式廣泛存在于我們的周圍。但是看似普通的冰實際上是非常復(fù)雜的固體—已知的就有17種不同的冰。那么不同的冰是如何互相轉(zhuǎn)變的呢？

近日，由北京高壓科學(xué)研究中心林傳龍、楊文革研究員和加拿大薩省大學(xué)John S. Tse教授主導(dǎo)的國際合作團隊利用先進(jìn)的時間分辨原位同步輻射X射線衍射技術(shù)揭示了冰的多步相變機制。他們在低壓條件下通過觀測冰從亞穩(wěn)態(tài)晶體結(jié)構(gòu)（ice VII或ice VIII）到熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)（ice I）的結(jié)構(gòu)演化過程，發(fā)現(xiàn)了依賴于溫度和時間且存在三種獨特中間過程的動力學(xué)相變路徑。這些中間過程相互作用、相互競爭，最終導(dǎo)致了并列共存。

水在地球生命起源中起著至關(guān)重要的作用，是目前研究最多，也是最復(fù)雜的物質(zhì)之一。在液相中，它表現(xiàn)出許多不同尋常的特性。在固相中，冰在高壓下表現(xiàn)出復(fù)雜多樣化的相變。許多理論和實驗研究致力于理解冰的各種相之間的相互轉(zhuǎn)化機制。然而到目前為止，大多數(shù)實驗都是對回收后的樣品進(jìn)行非原位測量，以至于對其結(jié)構(gòu)演化的中間過程細(xì)節(jié)信息的缺失。另外，由于傳統(tǒng)技術(shù)上的挑戰(zhàn)，之前的研究很難在較大壓力和溫度范圍內(nèi)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的快速變化。

林傳龍團隊經(jīng)過多年的努力克服了實驗技術(shù)難題，并結(jié)合原位時間分辨X射線衍射、快速加載（卸載）和低溫技術(shù)，對冰的相變進(jìn)行了系列研究。此技術(shù)可以通過快速加載或卸載抑制熱驅(qū)動的晶體到晶體相變。同時，對復(fù)雜的無定型相變有了深入了解，例如動力學(xué)控制的兩步非晶化相變機制和在水的無人區(qū)里觀察到高密度（HDA）和低密度（LDA）非晶冰。

恒溫恒壓條件下高密度晶體冰向低密度晶體冰演化過程

繼續(xù)上述研究方向的拓展，最近，該團隊使用新開發(fā)的實驗技術(shù)探索了亞穩(wěn)態(tài)的高密度晶體冰（ice VII 或ice VIII）在低壓恒溫條件下向穩(wěn)態(tài)的晶體冰（ice I）演化的動力學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)了依賴于溫度/時間的動力學(xué)相變路徑。不同于之前報道的ice VII （或ice VIII） →LDA → ice I相變順序，原位時間分辨X射線衍射數(shù)據(jù)顯示高密度晶體冰在向穩(wěn)態(tài)晶體冰的演化過程中存在著三個不同的中間相變過程：ice VII（或ice VIII）非晶化為HDA，隨后發(fā)生HDA-LDA相變，最后LDA的重結(jié)晶成I相。該結(jié)果揭示了以前認(rèn)定iceVII→LDA相變巨大體積膨脹的秘密。

“這一復(fù)雜的相變路徑嚴(yán)格依賴于溫度/時間的變化”， 林傳龍研員解釋到。“我們發(fā)現(xiàn)非晶化和HDA-LDA相變在110-115K以上和以下均表現(xiàn)出兩種獨特的熱激活機制”。“進(jìn)一步的分子動力學(xué)模擬計算也證實了我們的實驗結(jié)果” John S. Tse教授補充到。此外，模擬結(jié)果顯示HDA到LDA相變是一個連續(xù)過程，伴隨著較大的密度改變，并涉及納米尺度的大量原子位移。

“快速加（卸）載技術(shù)結(jié)合快速時間分辨X衍射方法使得我們具備了難得的技術(shù)手段來探測冰的多種形態(tài)之間轉(zhuǎn)換的中間過程”，楊文革研究員說到。“該技術(shù)有望幫助我們在其他物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)更多有趣的中間相”。
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