在日常生活中，水的三种常见状态是固态、液态和气态。然而，在极端的高温高压条件下，水还可能形成一些特殊的“奇异相”。其中，一种被预测存在于其他星球的奇异冰相，塑性冰 VII（Plastic Ice VII），终于在实验中得到了直接验证。
现在，这一突破性研究成果已经发表在近期的《自然》杂志上。
一种独特的混合相
在地球上，大部分冰都是由排列成晶格结构的水分子组成。在不同的温度和压力条件下，可以形成至少20种不同的冰相。当压力超过20,000巴（20,000千克/平方厘米）时，冰的晶格就会被压缩，形成冰VII。冰VII的分子排列呈致密的立方结构，就像魔方中的小立方体。科学家曾在地球地幔的钻石样本中发现冰VII，并推测它可能存在于其他星球内部。
15年前，分子动力学的计算机模拟预测，当冰VII在高温和极高压下，水分子的结构会排列成一个刚性的体心立方晶格（bcc）——与普通的冰VII类似，但又可以在皮秒（10⁻¹² 秒）尺度上持续旋转——表现出液态般的旋转自由度。
换言之，这是一种兼具固体与液体特性的混合态。可以想象，当挤压这种冰时，它会变得更柔软。因此，这种理论上的新冰相被命名为塑性冰VII，意味着它比典型的晶体冰更易形变，具备科学家所说的塑性。就像某种固体材料，即便仍然保持固态，也能像黏土一样挤出形变。
然而，由于当时的技术无法在这种极端压力下进行实验，科学家无法直接证实塑性冰的存在。
突破性的实验
在新的研究中，研究团队利用准弹性中子散射（QENS）技术，做出了突破性的发现。QENS 技术是研究快速分子运动的理想工具。与其他光谱技术相比，QENS 具有独特的优势，能够同时探测水分子的平移和旋转动力学，从而深入研究这一奇异的相变过程。
利用这种技术，研究人员在450–600 K（约 177°C–327°C）的高温，以及0.1–6 GPa（约为地球大气压的60,000 倍）的超高压环境下，首次在实验中直接确认了塑性冰 VII 的存在。
随着温度和压力的变化，QENS观察到三种不同的水相：
1、液态水：水分子既具有平移运动，也具有旋转运动；
2、固态冰：水分子的平移和旋转运动均被冻结；
3、塑性冰 VII（介于两者之间）：水分子保持有序的晶体结构，失去自由移动能力，但仍然可以旋转。
分子运动机制的新发现
对QENS数据的深入分析表明，塑性冰VII的分子动力学比最初的模拟预测的更加复杂。测量数据显示，塑性冰VII的分子旋转机制并不符合自由转子（free rotor）模型的假设。
接着，研究人员对塑性冰VII进行了进一步的分子动力学模拟与马尔可夫链分析，进而揭示了更详细的水分子运动机制。最终，研究团队确定了一种“四重旋转模型”最符合实验数据，这一模型通常适用于具有跳跃旋转特征的塑性晶体。
此外，研究团队还利用中子与X射线衍射实验，探索了从冰VII到塑性冰VII的相变过程。根据不同的模拟方法，这一相变可能是一级相变或连续相变。如果它是连续相变，这将极具研究价值，因为这暗示着这种塑性相可能是超离子相的前驱态。在神秘的超离子相中，氢原子会在更高的温度和压力下自由扩散到氧原子构成的晶体结构中，形成另一种混合相。
对行星科学的意义
这一发现不仅加深了我们对水在极端条件下的复杂行为的理解，也为未来的行星探索提供了重要线索。
科学家推测，在木卫二、木卫三等冰质卫星形成初期，以及天王星和海王星等冰质行星中，塑性冰VII可能曾广泛存在，并在这些天体的地质演化过程中发挥了重要作用。此外，塑性冰 VII 可能存在于系外行星的超深海洋底部，这些海洋的深度可达数千公里，甚至可能具备某种形式的宜居环境。
研究人员计划，未来，他们将进一步研究塑性冰VII的热力学性质，以及它在极端环境下的稳定性，这将有助于我们更准确地预测外星冰质天体的组成和演化。
#参考来源：
https://www.ill.eu/news-and-events/news/scientific-news/exotic-observations-at-the-ill
https://www.sciencenews.org/article/plastic-ice-alien-planets-liquid-solid
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08750-4
#图片来源：
封面图&首图：Institut Laue-Langevin Communications Office
