北京
水是每个人一生都绕不开的物质：身体里约一半是水，我们喝它、用它洗澡、在水中游泳，也在冰面上滑行、滑雪、打雪仗。它太熟悉了，熟悉到容易被当成理所当然。
在地球上，水也是最容易理解的化合物之一：液态、固态或气态，到了中学阶段，多数人都知道它可以被拆成组成它的原子。但科学揭示出水冰的奇怪真相——太阳系里存在一些环境奇特的世界。水要成其为水，始终需要两个氢原子和一个氧原子；而新的研究表明，在极端压力下，水冰会变成一种令人困惑的“变形者”，把它的分子身份抛在身后。
这项研究题为《Evidence for symmetry-reduction in solid H2O above 222 GPa》，发表在《Communications Chemistry》上。第一作者是内华达大学拉斯维加斯分校的物理学家阿什坎·萨拉马特（Ashkan Salamat），他也是该校内华达极端条件实验室的主任。他说：“水在压力下的行为方式令人惊叹。”
要理解这件事的奇特之处，得先知道冰不止一种。冰有20多种，每一种都在不同的压力和温度下形成，并不像地球表面的水那样严格由温度决定。它们的命名方式对非专业人士来说相当混乱——按发现顺序命名，而不是按压力、温度从低到高排列。在这众多冰之中，冰-X（ice-X）占据一个特殊位置。
通常，物质在受压时原子会被挤得更近，随着压力升高，它们会形成对称性更高的排列。冰一路到冰-X 都遵循这个规律。冰-X 形成的极端压力在地球上任何地方都不存在，连地幔里也没有。这种压力出现在天王星和海王星——太阳系的两颗冰巨星内部。在那种压力下，氧原子被逼到恰好位于两个氢原子的正中间，形成立方对称的晶格。这是一个重要转折：水冰不再以分子的形式存在。但它同时也符合“压力越高、对称性越高”的规则。
问题来了：冰-X 已经在冰巨星的压力下形成，那如果压力再往上加，加到冰巨星更深处的程度，它会怎样？还会保持预期的对称性吗？在这两颗星球上，它会不会表现出什么奇怪的行为？
为了找答案，萨拉马特和合作者把水放进了金刚石压砧——一种能把样品置于极端压力下的实验装置。他们给水施加了3500万 PSI 的压力，比形成冰-X 所需的压力还要高。这种极高的压力正存在于天王星和海王星内部。随后，他们用光谱学和 X 射线观察在极端压力下氢原子和氧原子的结构排列。
结果出乎预期：水并没有像预想的那样达到更高的对称性，反而表现出更低的对称性。研究者在论文中写道：“我们报告实验证据表明，水冰在222（±12）GPa 以上发生从冰-X 到立方对称性丧失的转变。”222 GPa 是个什么概念？它比地球大气压高出200多万倍。作者写道，这一转变“标志着高压 H2O 中结构复杂性新阶段的开端，重新定义了冰-X 的稳定性上限”。
不过，这种“失序”并没有完全脱离理论。研究者指出，测得的冰-X 状态方程以及新观察到的相在晶胞参数上的演化，都与理论模型吻合良好。他们同时强调，这些实验凸显了在高压下压缩 H2O 的复杂性。
这件事的意义，或许不只是一块冰的脾气变了。近年来，人们发现其他星球上的一些化学物质可能有不同于地球的生成路径，比如火星上的甲烷、金星上可能存在的磷化氢。这些例子未必铁证如山，却提醒我们：不同的行星环境可以非常不同，别的星球不一定遵守我们基于地球经验以为的“规矩”。这项研究提示，水冰或许也是如此——我们不能想当然地认为，连水这样简单的物质，在太阳系别处的极端环境里也会按可预测的方式行事。举例来说，天王星的冰流体幔可能达到高达700 GPa 的压力。
萨拉马特说：“理解我们太阳系和可观测宇宙的机制，对人类知识的事业至关重要。当我们最终抵达这些世界时，我们会看到什么？在实验室里尝试回答这些问题，我们确实是最初的开拓者。”
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