通过超冷水实现新型亚稳态冰相
材料科学
2025-07-22 v1 化学物理
摘要
水呈现丰富的多形性，其中超过20种晶体相已被实验报道。其中五种是亚稳态相，通过加热无定形冰或脱除水夹晶体实现。然而，这些亚稳态相很少直接从液态水结晶，使得在较高温度下研究亚稳态相关系具有挑战性。本文报告称，高压亚稳态冰相，包括两个命名为冰XXI和冰XXII的未知相，直接从液态水在深层超冷区域（约均匀核化温度）结晶。关键在于使用乳化水在实验时间尺度上稳定超冷水。通过在295 K和250 K进行等温压缩可获得冰XXI和冰XXII。我们的X射线和中子衍射分析结合分子动力学(MD)模拟揭示了这些新相具有惊人的复杂结构，分别对应Z=152（冰XXI）和304（冰XXII）。冰XXI与MD模拟先前预测的“ice T2”拓扑上完全相同，我们的实验结构模型可作为模拟中该结构的基准，后者取决于力场。冷却时，冰XXI转化为名为冰XXIII的取向有序对应物。我们的结果揭示了水相图下“隐藏”的结构复杂性，这一隐含意义与前期计算工作一致。进一步的努力将揭示这些亚稳态相关系，将填补计算和实验水相图之间的大片空白。
引用
@article{arxiv.2507.14415,
title = {New metastable ice phases via supercooled water},
author = {Hiroki Kobayashi and Kazuki Komatsu and Kenji Mochizuki and Hayate Ito and Koichi Momma and Shinichi Machida and Takanori Hattori and Kunio Hirata and Yoshiaki Kawano and Saori Maki-Yonekura and Kiyofumi Takaba and Koji Yonekura and Qianli Xue and Misaki Sato and Hiroyuki Kagi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.14415},
year = {2025}
}