水的固态远比表面看起来复杂
冰在冷冻室里的冰格中或冬天的湖面上看起来很熟悉，但物理学家越来越把它视为自然界最令人惊讶的材料之一。根据 Quanta Magazine 的一篇新报道，科学家仅在过去一年里就识别出三种新的冰，其中包括两种迄今观察到的最复杂冰相之一。这些发现加入了一个不断扩大的目录，而该目录中已包含 20 多种已知的晶体冰相。
故事不仅在于冰的种类很多，更在于水似乎能够在不同条件下自发组装成一系列非同寻常的固体结构。研究人员现在说，计算机模拟已经预测出成千上万种可能的冰形态。这并不意味着它们都会在实验室或自然界中被找到，但这确实表明，科学家面对的是一个比旧有假设允许的更丰富的相空间。
为什么冰总让物理学家惊讶
原因在于水分子的几何结构。Quanta 将每个水分子描述为一个氧原子与两个氢原子结合，同时还有两对自由电子，将分子的有效形状扩展成四个由电磁力分开的“臂”。这种结构赋予了水在形成重复晶体排列时非同寻常的灵活性。
在普通冰中，这些分子形成一种宽松的六边形结构。这种开放排列使常见冰的密度低于液态水，因此冰会浮在水面上，湖面也会从上向下结冰。但在压力作用下，水可以压缩成完全不同的图案。改变温度、改变压力，或改变这些条件施加的速度，分子都可能进入新的晶体状态。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室的 Marius Millot 告诉 Quanta，哪怕是水被压缩方式上的微小变化，也可能揭示完全出人意料的行为。这番评论解释了为什么这一领域近年来加速发展。随着研究人员改进实验技术并放弃旧有假设，他们正在揭开此前因制造或探测困难而被隐藏起来的结构。
一年出现三种新形态
报道说，过去一年里发现了三种新冰。其中两种跻身迄今见过的最复杂相态之列。剑桥大学的 Chris Pickard 将当前阶段形容为非同寻常，并表示研究人员正在发现更多这类结构。
这一速度很重要，因为每一个新相态都会检验并修正理论预测。水长期以来因其相较于更简单材料的异常行为而臭名昭著。随着已确认冰相名单的增长，物理学家得到了更好的方式来检验他们的模拟是否真正捕捉到了极端条件下分子组织的可能性。
不断扩大的目录也改变了这一领域的语气。研究人员不再把异常的冰相视为罕见的奇观，而是越来越把它们看作仍只被部分绘制的更广阔景观的一部分。如果那些指向海量可能形态的模拟哪怕在方向上大致正确，那么当前的发现也许只是起点，而不是终点。
