水不仅仅以液体、冰或水蒸气的形式存在——在极端条件下，它可以转变为奇异的形态，如最新观测到的塑性冰VII。

这种混合相多年前就已被预测存在，但直到最近才通过先进的中子光谱仪得到证实，它兼具固体结构和液体分子运动的特点。

超越常规：水的多种形态

在日常生活中，我们通常能看到水以三种常见的形态之一存在：固态、液态或气态。然而，在极端的高温高压条件下，水可以呈现许多其他形态——其中一些形态如此不寻常，科学家称之为奇异相。利用劳厄-朗之万研究所（ILL）先进的中子光谱仪和专用设备，研究人员首次从实验中观察到了这些难以捉摸的形态中的一种：塑性冰VII。

塑料冰VII的发现

科学家们 15 年前首次通过分子动力学（MD）模拟预测了塑料冰 VII 的存在。“塑性相是兼具固体和液体特性的混合态，”法国国家科学研究中心 (CNRS) 研究主任、罗马智慧大学副教授、瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 客座科学家莉维亚·埃莱奥诺拉·博韦解释道。

在塑料冰中，水分子形成了刚性的立方晶格，就像冰VII一样，但它们也迅速旋转——类似于液态水中分子的运动方式。

准弹性中子散射：揭示分子运动

为了研究这些快速的分子运动，研究人员使用了准弹性中子散射（QENS）技术，该技术特别适用于检测平移动力学和旋转动力学。

“相较于其他光谱技术，准弹性中子散射能够探测平移动力学和旋转动力学，这一能力在探索此类奇异的相变方面独具优势，”罗马一大（Sapienza University）博士生兼本研究的主要作者玛丽亚·雷斯奇尼奥（Maria Rescigno）解释道。

通过改变温度和压力，研究小组发现了水的三种不同状态：液态水，分子在旋转和平移中自由移动；固态冰，所有运动都被冻结；以及塑性冰VII，这是一种中间状态，分子保持其刚性结构但继续旋转。

极端条件：制造塑料冰VII

揭示塑料冰 VII 的实验是在劳厄-朗之万研究所 (ILL) 使用飞行时间光谱仪 IN5 和 IN6-SHARP 进行的。要产生这种奇异的水态，需要高达 450-600 K 的温度和 0.1 至 6 GPa（高达正常大气压的约 6 万倍）的压力。

中子光谱学中这种苛刻的热力学条件的实现得益于博夫（Bove）、法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任斯特凡·克洛茨（Stefan Klotz）以及ILL科学家迈克尔·马雷克·科扎（Michael Marek Koza）在ILL的一项长期项目中通力合作所取得的最新技术进展。

“这项研究的成功得益于ILL多年来积累的广泛专业知识和打造的独特基础设施，特别是在复杂样品环境和高压方面，”科扎强调说，“此外，ILL光谱仪的不断改进，如耐力升级计划中所打造的光谱仪，促进了最先进仪器所开展的实验日益复杂精细。”

挑战预期：分子动力学的新见解

对中子散射数据的综合分析还表明，塑性冰VII的分子动力学可能比分子动力学模拟最初的预测更为复杂。“准弹性中子散射测量表明，塑性冰VII的分子旋转机制与最初预期的自由转子行为不同，”雷斯奇诺解释道。

额外的分子动力学（Molecular Dynamics）模拟以及马尔可夫链分析为我们提供了水分子动力学的更详细图像。一个如在跳跃转子塑性晶体中通常观察到的四重旋转模型被确定为最可能的机制。

向超离子冰的转变：探索未知的路径

为了探究冰VII向塑性冰VII的相变性质，研究人员分别在ILL的D20衍射仪和矿物学、材料物理与宇宙化学研究所（IMPMC）进行了进一步的研究，包括中子衍射测量和X射线衍射测量。

博夫（Bove）解释说：“根据所用的模拟方法，这种转变可能是一级转变，也可能是连续转变。连续转变的情况非常有趣，因为它表明，塑性相可能是难以捉摸的超离子相的前体，而超离子相是在更高温度和压力下预测存在的另一种水的混合奇异相，在这种状态下，氢可以在氧的晶体结构中自由扩散。”

对行星科学及更广泛领域的影响

行星科学对塑性和超离子相均极为感兴趣，因为这两者对理解木卫三、木卫四等冰卫星以及天王星和海王星等冰巨星的内部结构和冰川流动具有潜在意义，而这些卫星和行星的内部可能主要由塑性和超离子相构成。

中子散射技术并非传统意义上的行星科学首选技术。然而，该技术能够精确测量物质中氢的位置和动力学特征，且最近已能在行星相关压力条件下进行实验，这些使中子散射技术在该领域产生了重大影响。而且可能还有更多奇异物相有待发现。

参考文献：《通过准弹性中子散射观察塑性冰VII》，由玛丽亚·雷西尼奥、阿尔伯托·托法诺、翁贝托·拉涅里、利昂·安德里安巴里里贾奥纳、理查德·加尔、斯特凡·克洛茨、迈克尔·马雷克·科扎、雅克·奥利维尔、福斯托·马尔泰利、约翰·拉索、弗朗切斯科·肖尔蒂诺、若泽·特谢拉和莉维亚·埃莱奥诺拉·博韦于2025年2月12日发表于《自然》杂志。DOI：10.1038/s41586-025-08750-4