水还有第四种状态?地下5000千米处高压形成,以闪电般的速度增长

水乃生命之源,通常人们认为水以三种形态存在:水蒸气,液态水和冰,然而水还有另一种不为常人所知的状态:冰VII。

今年3月份,地质学家发现地下深处的钻石晶粒中存在水分子,认为地球内部的水可能比我们所了解的要多得多。这项发现预示,不仅需要重新计算地球所拥有的总水量,还需要改变模拟热量穿过地壳的方式及预测地震频率的模型。这项研究这引起了科研人员的关注,最新研究发现冰 VII是一种性质非常怪异的“冰”,可以以时速1610公里的速度瞬时形成并增长…

研究人员通过X射线衍射技术分析了从南部非洲、中国、扎伊尔和塞拉利昂等地收集的钻石样品,结果发现钻石中含有水。虽然钻石中的水分子被挤压成固体形式的冰,但它们的存在是距离地球表面4700-5100公里处远远深于岩石圈的过渡层的液态水分子(地球一级分层:外球,液态区,内球)。

来自过渡层的水分子在碳原子排列而成的金刚石晶体缺陷内存在,高压挤压水分子迫使它们排列成与传统冰不同的结构。不同的压力可以将水分子约束排列成一系列不同的结构,称为冰-VII,这是首次证明自然界中存在冰VII。

实验表明,在地下高温和10万个大气压下冰VII可由均相成核或异相成核形成,但其成核机理仍是未解之谜。最近,加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室研究人员通过设计的数学模型表明,在一定的压力阈值下,冰VII以闪电般的速度(1000mph=1610km/h)向外延伸、扩展,这种瞬时转变过程为均相成核。研究表明,特定的临界点是均相成核的关键。

液态水变成固体冰的方式不同导致冰VII在晶体中具有不同的原子结构,研究人员认为冰 VII首先形成分子簇,然后以纳秒级的超高速度在水体中扩散。研究人员表示,“不需要缓慢的潜热去除过程,界面速度通过界面处快速分子排序来控制。”

冰VII的存在经历了理论预期、实验室创造、自然界确认的过程,现在又有了一个适合实验数据的数学模型。模型研究团队认为,关于冰 VII如何在分子水平上形成的新解释可能对记忆存储、材料合成等方面的研究产生深远的影响,同时有助于确定外星球上的生命是否存在。

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