高压实验发现一种奇特的新冰形态

这项成果发现了水的全新结晶路径，并识别出一种此前未知的冰相，被命名为Ice XXI，成为第21种结晶冰。

高压如何造就新冰相
水通常在温度低于0°C时结冰，但压力也能驱动结晶。在合适的压力条件下，冰甚至能在室温或高于沸点的温度下形成。例如，室温下水被压缩至0.96吉帕以上会转变为Ice VI。结冰时，水分子间的氢键网络会发生复杂的扭曲和重组，这些变化会根据周围的压力和温度产生多种冰结构。更深入理解这些分子重排过程，并能在极端条件下控制它们，有望为创造地球上不存在的全新材料开辟道路。

百年冰研究迎来新里程碑
过去100年，科学家通过调节压力和温度，已发现20种不同的结晶冰相（Ice I至Ice XX）。这些冰相存在于超过2000开尔文的温度范围和100吉帕以上的压力范围。环境压力（0吉帕）至2吉帕之间的区域被认为是水相图中最复杂的区域之一，聚集了十多种不同的冰相。
韩国标准与科学研究院（KRISS）的空间计量小组成功创造了一种超压缩液态，使水在室温下被加压至2吉帕以上（超过正常结晶所需压力的两倍）时仍保持液态。这得益于KRISS研发的动态金刚石对顶砧（dDAC）——一种高压仪器。传统金刚石对顶砧（DAC）通过拧紧螺栓增加压力，此过程常产生压力梯度和机械扰动，引发过早成核。而KRISS的dDAC通过减少机械冲击并将压缩时间从数十秒缩短至仅10毫秒，最大限度减少了这些问题，使水能进入Ice VI的压力范围却仍保持液态。

捕捉新冰相的诞生
KRISS科学家与国际合作伙伴合作，将dDAC与欧洲XFEL（世界最大的X射线自由电子激光装置）结合，以微秒级精度监测超压缩水的结晶过程。观测揭示了室温下复杂且此前未被发现的结晶路径，该转变通过新冰相Ice XXI发生，这是全球首次确认第21种结晶冰。
研究人员还确定了Ice XXI的详细结构，并绘制了其形成的多种路径。与其他已知冰相相比，Ice XXI具有异常大且复杂的晶胞，其晶体几何结构为扁平矩形晶格，两条底边长度相同。

大型国际合作
这项发现涉及来自韩国、德国、日本、美国、英国的33名研究人员，以及欧洲XFEL和DESY的科学家。该项目由KRISS提出并领导，李根宇博士担任首席研究员。KRISS团队包括金镇均博士（共同第一作者，KRISS博士后研究员）、金容宰博士（共同第一作者，前KRISS博士后研究员，现就职于劳伦斯利弗莫尔国家实验室）、李允熙博士（共同第一作者，首席研究员）、金敏珠博士（共同作者，博士后研究员）、赵勇灿博士（共同作者，首席研究员）和李根宇博士（通讯作者，首席研究员）。他们主导了实验设计、数据收集和结构分析，促成了Ice XXI的首次发现，其成果是高压物理和行星科学领域的重大进展。
李允熙博士表示：“Ice XXI的密度与木星和土星 icy moons内部的高压冰层相当。这一发现可能为探索太空极端条件下的生命起源提供新线索。”李根宇博士补充道：“通过将自主研发的dDAC技术与XFEL结合，我们捕捉到了传统仪器无法观测的转瞬即逝的过程。对超高压及其他极端环境的持续研究将开启科学新前沿。”

注：此前已报道Ice I至Ice XX等冰相，其中Ice I有两种结构：六方Ice Ih和立方Ice Ic。dDAC是一种高压装置，使用一对金刚石和压电致动器，动态控制并观测微观水样中的压力变化。
该研究得到韩国国家科学技术研究院（NST）“4000K级火箭发动机超高温材料及测量技术开发项目”支持，成果于10月发表在《自然·材料》（影响因子38.5）。