科学家已经发现了20多种冰，但你只见过其中一种
环球科学约 5 分钟图片来源：MaximGurtovoy
这是我们最熟悉，又最陌生的物质。
炎热的夏天，谁不想喝一杯加冰奶茶呢？但冰的形式其实远不止你在冰箱里见到过的那些。自从1900年以来，科学家已经发现了超过20种冰的形态。它们的性质和我们熟悉的冰不尽相同，有的能在室温下保持固态，有的能导电，有的还蕴含着宇宙的秘密。
水的分子结构，让它可能形成多种可能的构型。每个水分子都是一个氧原子两侧各连一个氢原子，夹角为104.5°。而在氧原子的对侧，其实还会像额外肢体一样，伸出两对剩余的游离电子。
一个大气压之下，水在0°C以下才会结冰。在最常见的冰中，一个水分子的氢原子会和另一个水分子的游离电子相互吸引，构成氢键，搭建出空间上不断重复的六方结构，形成最常见的六方冰。这种排列方式相对宽敞，导致最常见的冰密度小于水。冬天水体结冰时，冰会漂浮在水面上，使水下的生物得以存活。
“末日冰”
对于非常纯净的水来说，哪怕温度已经低于0°C，如果没有凝结核，水也不会自发结冰。美国科幻小说家库尔特·冯内古特（Kurt Vonnegut）曾在《猫的摇篮》（Cat's Cradle）中猜想，其实宇宙中还有别的冰的形式，能在室温下就能让水结冰？他在小说中将这种冰称为“冰IX”，小说中的科学家在实验室中成功找到了这样一粒“冰IX种子”，只要一粒“种子”就足以“引领”相邻水分子以同样的方式排列，从而创造出一种新的冰相。
在小说中，“冰IX”不易融化，能在室温下保持冻结。主人公本意是利用这种奇特的冰引发一连串冻结反应，帮人们穿越泥沼和沼泽。但结果却发现这种冰其实是一种比氢弹更可怕的武器，倘若以不受控制的方式释放出来，就可能消灭地球上的所有生命。在小说中，随着一些“冰IX”被引入海洋，整片海洋以及地球上的所有淡水都冻结成了固体，引发了剧烈的风暴和龙卷风，导致整个地球陷入灾难。
后来，现实世界里的科学家的确在高压实验室里得到了冰IX。不同于冯内古特的描述，冰IX其实没有肆虐地球的威力。一旦把它们从高压冷冻装置里取出，放在桌子上，这些高压冰的结构很快就会崩塌，就像爆米花爆开一样。如今，在不同的温度和压强条件下，冰已被发现了至少20种不同的晶相，这些冰相按照发现先后顺序用罗马数字编号，并且有预测显示存在更多的冰相有待实验验证。
图片来源：“Water Structure and Science,” by Martin Chaplin; webpage archived from the original on February 11, 2025 (ice crystal structures and types of crystalline ice); “Phase Diagram of Water,” by Cmglee; updated image posted to Wikipedia February 19, 2025 (water phases)
“末日冰”
水分子间的氢键对温度和压力变化极为敏感，这让水表现出他所说的“类量子行为”（quantumlike behavior）。当温度和压力达到某些临界点时，分子之间的关系会被迫发生剧烈改变。因此，科学家往往会绞尽脑汁设计出各种近乎玄妙的实验方案。比如用相当于3000个大气压的压力挤压水，或者往水中加入少量氢氧化钾，将其冷却到零下200摄氏度并保持一周。这都是为了追寻冰的新形态。
冰XXI是科学家最新发现的冰形态，相关成果发表于《自然·材料》（Nature Materials）。冰XXI是一种转瞬即逝的块状晶体结构，由超压水（supercompressed water）转变而成 ：科学家只能借助一台功率极强的X射线自由电子激光（x-ray free-electron laser）才能捕捉到它的存在，这台设备本质上相当于一台高速相机。它以极快的速度观察事物，能让我们看到各种奇妙的现象。有了这台激光设备，研究人员就能捕捉那些仅短暂存在的奇特冰形态。由此，时间成为与温度、压力并列的又一种变量。
尽管这些奇特的冰形态在地球上并不天然存在，但其中一些或许会在其他星球上形成：深藏于海王星内部，封存在某颗遥远卫星之中，抑或存在于某个更加陌生的地方。
这些奇特的冰离我们的冰箱很远，却可能遍布宇宙。天王星、海王星内部，以及一些冰卫星的地下海洋深处，都可能存在普通冰箱无法制造的高压冰。它们的密度、导电性和传递盐分的能力，可能影响一颗星球的内部结构，甚至影响地下海洋是否具备适合生命的环境。
冰XXI也不会是冰家族的最后一位成员。科学家仍在寻找新的冰相，并试着弄清水分子在极端条件下究竟如何排列、旋转和移动。在新一期《环球科学》中，我们用一张图梳理冰的20多种晶态，还讲述了塑性冰 VII从理论预测到首次被直接观测的过程：这种冰的晶格保持有序，其中的水分子却仍能转动。
除了冰的多种形态，本期《环球科学》还聚焦全球青年科学家。随着科研生态的快速变化，人工智能的迅速崛起，都为全球青年科学家的发展带来了前所未有的挑战。他们将如何面对这样的新局面？
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