多变的冰

将钻石“捏出”水来，把全部 海洋迅速冻结 ，这是 7号冰 能够做到的事情。

这怎么可能呢？

但7号冰的存在本身确实令人匪夷所思，不过它也不会像常规的冰块一样出现在我们生活中。

常见的冰晶体

我们常见的冰块或者冰晶体都是正六边形排列的结构， 氧原子的被重新组合 ，冰块发生膨胀。

无论是冬天地面上结成的霜，还是天空中飘落的雪，就算是制冰机制造出来的冰块也与它们没什么不同。

这类冰在“布里奇曼”命名法中被称作 1号冰 （ice-Ih）,h指的是氧原子从液体或气体转变为固体冰时，他所排列出来的 六边形结构 。

正常情况下看见的冰分子结构

不过这种方正的结构并不是水分子可以聚集出来的唯一形状，理论上来讲，在 适当的压力和温度 下，水的结晶相可以呈现出17种不同风格。

当然，还有近年来讨论热烈的18号冰。

就常规的1号冰来讲，地球的温度和压力变化并不大，所以1号冰也是我们能够见到的最多的冰晶体。

冰相态变化的条件参考表

只要适当地给冰晶体继续施加压力和温度 ，它的相态便会出现特别奇怪的变化。

7号冰 的独特之处在于，即便压力急剧增加，它也能保持稳定。

7号冰的密度也会比1号冰高1.5倍 ，不过地球的环境很明显不能让它正常出现。

因为要形成 7号冰 ，需要超过30000个大气压，也就是3吉帕斯卡的低温状态。

地球中能够形成7号冰的可能地方只有 地幔 ，不过这个位置温度会很高，7号冰无法在这里形成。

地幔中可能出现的冰

从2号冰到18号冰，科学家现在已经能在实验室中用不同的温度和压力来产生这种奇特的冰晶体。

从熔化的固体、沸腾的液体，再到升华的固体到过冷液体或过热液-气混合物。

极纯的过冷水在0℃以下可以保持液态，直到施加振动或冷凝子掺杂引发结晶。

18号冰的状态

7号冰在很宽的温度和压力范围内是 亚稳态 的，并能在-153℃以上转变为低密度 无定形冰 。

无定形冰的分子排列缺乏长程有序，它要么通过液态水的快速冷却，让分子来不及形成晶格产生，要么通过低温压缩普通冰形成。

另外，7号冰可以通过冲击波的快速压缩在 几纳秒内 形成，也可以通过在环境温度下 增加6号冰的压力来产生。

与大多数 冰相 一样，氢原子的位置是无序的，氧原子在多个位置也是无序的。

7号冰的结构包含氢键框架，其表现为两个互穿但未键合的亚晶格。

弱键的亚稳态

氢键穿过水六聚体的中心，因此 不会连接晶格 。在所有冰相态中，7号冰是唯一可以通过简单冷却有序化的无序冰相。

此外，7号冰在冰的所有分子相中具有最大的稳定场，形成7号冰结构骨架的立方氧亚晶格至少会在128吉帕斯卡的压力下持续存在。

高科技造冰

对7号冰的研究和理论研究工作表明，它可以在实验室中合成。

2017年 加利福尼亚州斯坦福大学联合新墨西哥州洛斯阿拉莫国家实验室，科学家们成功观察到在激光压力的冲击下，7号冰的形成。

冲击波实验的艺术表现

科学家向一小瓶水中发射强大的X射线激光，然后使用另一个强力激光脉冲来进行高速拍摄。

这样便能让科学家看见水中的分子一个个上升到7号冰的冰相中。

尽管以前有过科学家 尝试过制造7号冰 ，不过并没有成功捕获冰冻的过程。

在2017年的这项实验中，科学家成功捕获到了7号冰的形成，这种快速冻结所需要的时间只有6纳秒。

激光脉冲实验

科学家通过对7号冰形成过程的 衍射峰分析 ，基于对随时间变化的衍射峰时间动力学拟合。

该团队认为，冰冻过程中，水首先结晶成针状和一堆棒状结构，然后成核形成固体7号冰。

一般来讲，物质都有一定的 可压缩性 。

当对物质的固相施加越来越大的压力时，化学键之间的空间会略微减小，它们之间会稍微倾斜。

但水冰的可压缩性很低，当它受到太大的压力时，原子不会聚集在一起。

相反，它们会将自己重新排列成其他不同的模式，这 取决于压力和具体环境 。

例如对1号冰施压，它则会变成具有菱面体结构的2号冰，再继续施压，便会组成其他冰相。

不过与其他冰相阶段不同的是，即便压力继续增加，7号冰的相态仍然很稳定。

计算机模拟显示水分子有序形成7号冰

科学家们认为，在太阳系中可能会有 大量的7号冰 ，它可能出现在土卫二和欧罗巴这样的 冰卫星内部 。

又或者，它会成为土卫六海洋的一部分，但肯定不会自然地发生在地球中。

正如我们前面所说， 地幔是唯一有可能存在7号冰的地方 ，但是那里的温度太高了，并不能形成7号冰。

不过科学家在新的研究中，从地幔处生成的 钻石 找到了新的证据。

由于钻石的特殊性质，少量的材料也可以在地球中自然形成。

深处地幔的钻石埋藏在地壳下方的600多公里处，当它们在形成过程中偶尔会捕捉到周围化学环境的一小部分，然后将其封存在内部。

一颗钻石里面可能含有水分

7号冰钻石

科学家在2018年对地幔含水流体的研究中，科学家相信地幔中富含水的区域在全球水支出和产热元素的流动中发挥着关键作用。

相关研究表明，7号冰可以在天然钻石的内含物中出现，它可以作为此类富含水区域的指标。

对地幔深层的 橄榄石和岩石矿物 的研究表明：

地球不同区域的化学结合水的平均丰度，以及可能出现的较小层或富含水的岩石熔体位置，帮助科学家了解到在延长的地质事件内，地球水活动的情况。

钻石中冰-VII 的衍射图案

而钻石中存在的7号冰则是最好的证据表明，它为过渡带-下地幔边界周围存在水性流体提供了证据。

通过X射线衍射对金刚石中的7号冰包裹体出现次数的研究发现，7号冰与其他微米级杂物混合在金刚石中。

在 成核过程中 ，液体或蒸汽中的少量原子或分子会以结晶土固体的特征排列，然后形成一个位置。

随着晶体的不断生长，会有更多粒子沉积在该位置， 直到完全冻结 。

天然钻石中冰-VII 的出现压力

7号冰在地幔有 两种不同的形成方式 ，成核开始于某种表面。

然后向内扩散则是“异质”形成，“均质”表明冰在大部分水样中形成，这几乎会瞬间冻结所有水样。

科学家还证明液态水和正在形成的 冰晶之间的温度差异 ，此外还有特定的临界点或阈值决定了 冰核是非均质还是均质。

所以整个过程简单来讲，地幔的温度和压力都很高，钻石会在这里形成。

水泡在被钻石包裹后，当水逐渐上升到表面时，此时水便暴露在一个较低的温度下，然而钻石的稳态仍保持着高压状态。

一颗在钻石中的7号冰

即便7号冰在高压状态下出现， 如果它不高于一个特定的阈值 ，成核会向内扩散。

一旦超过这个阈值成核扩散到整个样品时，就会发生快速相变。

所以，冰的形成和扩散速度会非常快 ，新生的冰晶和周围的水必须处于不同温度才能发生这种快速冻结。

科学家表示， 7号冰在地幔中的不寻常生成方式 ，一开始大约以100个分子的微小簇形式出现，然后以 每小时超过1600公里的速度极快生长。

如果7号冰以这种形式出现，便能迅速冻结地球上的全部海洋。不过这种情况很罕见，也不会在地球上出现。

如果是流星或者彗星的轰击，爆炸产生的冲击波足以将任何水压缩到恰到好处的高压，使其能在足够深的海域形成7号冰，然后迅速扩散至地表。

科学家目前正在思考7号冰对系外行星的影响，以及它在行星系统中的分布情况，未来它还会进一步为我们揭示行星演化。