劉慈欣在其短篇小說(shuō)《夢(mèng)之?！樊?dāng)中，描寫(xiě)了一個(gè)來(lái)自外星的“低溫藝術(shù)家”將地球的海凍結(jié)成一塊塊冰，運(yùn)送到地球軌道上大搞藝術(shù)的故事，你知道他為什么要這么做嗎？

原來(lái)，低溫藝術(shù)家想為地球打造一個(gè)環(huán)繞地球一周的“冰環(huán)”。

低溫藝術(shù)家打造“冰環(huán)”的構(gòu)想圖

這種行為使得海洋的水越來(lái)越少，而人們還在傻傻地為其“快速制冰”的技術(shù)嘖嘖稱奇。當(dāng)然，這是科幻小說(shuō)中的描述，現(xiàn)實(shí)中會(huì)有這樣高超的“制冰技術(shù)”嗎？理論上來(lái)說(shuō)還真有，而這個(gè)能讓海洋冰封凍結(jié)的東西就是咱們今天要說(shuō)的“7號(hào)冰”。

那么，7號(hào)冰到底是什么物質(zhì)？一塊7號(hào)冰真的能讓地球上的海洋全部?jī)鼋Y(jié)嗎？接下來(lái)，就讓我們一起來(lái)看看，科幻是否真的能夠照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

7號(hào)冰模擬圖

冰的種類有很多

當(dāng)說(shuō)到冰的種類有很多時(shí)，許多人下意識(shí)都會(huì)想，冰不都是由水凍結(jié)而成的嗎，還能有這么多花樣。確實(shí)，水分子的結(jié)構(gòu)是比較簡(jiǎn)單和均勻的，可是它卻常常能表現(xiàn)出不同于其他液體的性質(zhì)。

于是，冰作為水的一種凝聚態(tài)，也被當(dāng)作了重點(diǎn)研究對(duì)象。在人們不斷地探索之中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多種冰的結(jié)構(gòu)。這些冰是在不同壓強(qiáng)和溫度下，呈現(xiàn)出了多種的晶相和非晶結(jié)構(gòu)。

冰與水的分子結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在一般條件下，冰的晶格結(jié)構(gòu)是六方體，這樣的正常冰可以被稱為1號(hào)冰。但是伴隨著溫度和壓強(qiáng)的變化，水分子之間的氫鍵會(huì)表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，因此其他“奇奇怪怪”的冰就誕生了。

科學(xué)家指出冰相還有氫有序和無(wú)序排列的成對(duì)的異構(gòu)體。存在很多氧原子晶格相同，但氫原子排列不同的冰相結(jié)構(gòu)，被稱為冰對(duì)。

壓強(qiáng)和溫度對(duì)水的形態(tài)的影響

截至目前，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了19種冰。值得一提的是，他們是用羅馬數(shù)字給這些冰進(jìn)行編號(hào)的，不過(guò)為了方便大家閱讀，我們依舊按照“幾號(hào)冰”的方式來(lái)介紹。這19種冰當(dāng)中除了1號(hào)冰是咱們生活中隨處可見(jiàn)的，剩下都有自己與眾不同的地方。

這之中，7號(hào)冰就憑借著自己的特殊性引起了科學(xué)家的注意。那么，7號(hào)冰到底有什么特別之處呢？

水在不同的條件下，能結(jié)成不同的“冰”

7號(hào)冰到底是什么？

咱們?cè)谇拔闹刑岬搅吮啻嬖谥鴼湓佑行蚺帕泻蜔o(wú)序排列的兩種方式，而7號(hào)冰的氫原子就是按照無(wú)序排列的，從結(jié)構(gòu)來(lái)看，它是由兩個(gè)相互套構(gòu)的立方晶格組成，而子晶格之間并不存在相互鏈接的氫鍵?？伤奶厥庑圆恢乖谟谒臒o(wú)序排列，更重要的是它形成的環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單。

7號(hào)冰的晶體結(jié)構(gòu)

這種冰的形成甚至不需要溫度達(dá)到0攝氏度以下，在溫度為4.9攝氏度的時(shí)候就能夠順利“成冰”了。這樣來(lái)說(shuō)的話，想用7號(hào)冰將地球的海洋凍結(jié)似乎也不是難事，因?yàn)樗男纬蓷l件看起來(lái)并不難。

不同尺寸納米顆粒的冰成核溫度

然而這只是溫度，上文就提到了科學(xué)家發(fā)現(xiàn)多種冰的歷程，不僅改變了溫度還要改變壓強(qiáng)。所以7號(hào)冰雖然對(duì)溫度沒(méi)什么要求，對(duì)壓強(qiáng)的要求卻非常高。資料顯示，7號(hào)冰如果想自然形成，那么壓強(qiáng)最少要達(dá)到30億帕。

這個(gè)30億帕確實(shí)是可望不可即的，因?yàn)樵蹅兒５椎膲簭?qiáng)充其量也只能達(dá)到幾千萬(wàn)帕。所以，按照現(xiàn)實(shí)的正常條件，這種冰是不可能形成的。目前，7號(hào)冰大多出現(xiàn)于實(shí)驗(yàn)室之內(nèi)。

7號(hào)冰的形成條件很是嚴(yán)苛

當(dāng)然，在2018年的時(shí)候，美國(guó)一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在一顆鉆石當(dāng)中發(fā)現(xiàn)了7號(hào)冰的存在，從展現(xiàn)的基本情況來(lái)看，這顆鉆石就像是一個(gè)“天然壓力室”，把7號(hào)冰牢牢的鎖在了自己的身體里。不過(guò)也有網(wǎng)友在看到這一消息之后表示，現(xiàn)在咱們是不是能合理懷疑“鉆石注水”了。

鉆石中的7號(hào)冰猜想圖

Klotz等發(fā)現(xiàn)可以在3GPa以上通過(guò)冷卻液態(tài)水至室溫，或在95K以下通過(guò)對(duì)冰 VI 減壓產(chǎn)生高壓相冰VII（7號(hào)冰）。Bridgeman首次提出冰VII可以穩(wěn)定存在于常溫以及22kbar(1bar=105 Pa) 的壓強(qiáng)下。

由此可見(jiàn)，咱們甚至能夠簡(jiǎn)單粗暴地將7號(hào)冰理解為“高壓冰”。只有在各個(gè)條件滿足之后，7號(hào)冰才會(huì)開(kāi)始“展現(xiàn)威力”，它的結(jié)晶速度相較于其它冰來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直就是“神速”。

7號(hào)冰的構(gòu)想圖

據(jù)估計(jì)，各項(xiàng)條件滿足之后，7號(hào)冰的結(jié)晶速度能夠達(dá)到1600公里/小時(shí)。所以，地球哪天真的像《后天》所演的那樣海洋瞬間凍結(jié)，除了因?yàn)榇蠓冉禍兀€可能因?yàn)?號(hào)冰。既然這樣說(shuō)的話，一塊7號(hào)冰真的能讓地球上的海洋全部?jī)鼋Y(jié)嗎？這種凍結(jié)是持續(xù)的還是只有一瞬間呢？

冰封海面

7號(hào)冰能否凍結(jié)海洋

海洋的面積超過(guò)了地球總面積的70％，想用一塊“7號(hào)冰”就直接將如此巨大的海洋給凍結(jié)，明顯是不現(xiàn)實(shí)的。再者，我們前文中提到了7號(hào)冰的形成對(duì)于環(huán)境的要求是非常苛刻的，這也就意味著自然環(huán)境當(dāng)中這種物質(zhì)根本無(wú)法形成?？梢?jiàn)，首先連“誕生”都沒(méi)機(jī)會(huì)，就更別說(shuō)凍結(jié)海洋了。

就算真的誕生了，它也要在幾十億帕和4.9攝氏度的溫度加持之下，才能在海洋中為所欲為，且凍結(jié)的速度應(yīng)該也是比較持久的，不存在瞬間凍結(jié)的情況。問(wèn)題是海洋這么大，怎么可能處處都維持著這個(gè)恰到好處的壓強(qiáng)和溫度呢？

7號(hào)冰構(gòu)想圖

所以，7號(hào)冰在理論上的凍結(jié)速度確實(shí)非常強(qiáng)，但是真的將一塊7號(hào)冰放入海洋，應(yīng)該依舊面臨著“雙拳難敵四手”的局面，最終也翻不出什么浪花來(lái)。就是不知道劉慈欣在《夢(mèng)之?！樊?dāng)中描寫(xiě)的那個(gè)外形低溫藝術(shù)家是否也會(huì)運(yùn)用“7號(hào)冰”的制冰技術(shù)，因?yàn)楦鶕?jù)描述，他每天的取冰數(shù)量就高達(dá)1000塊。

實(shí)際上，除了7號(hào)冰十分神奇，科學(xué)家再接著研究之后，發(fā)現(xiàn)其他種類的冰不僅結(jié)構(gòu)有意思，還能夠幫助人們揭開(kāi)太陽(yáng)系某些冰凍行星深處的秘密。

宇宙中的冰行星——天王星

冰凍星球的“冰”不簡(jiǎn)單

大家都知道，人類在尋找宜居星球的時(shí)候，往往會(huì)特別關(guān)注到“液態(tài)水”的存在。所以此前在探訪太陽(yáng)系內(nèi)的各大行星時(shí)，一直都懷揣著找到液態(tài)水的希望，不過(guò)最終結(jié)果并不樂(lè)觀。

在發(fā)現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)形態(tài)的冰之后，科學(xué)家認(rèn)為距離地球很遠(yuǎn)的海王星或者天王星的內(nèi)部可能存在著不同于地球的溫度和壓力。換句話說(shuō)，這里的壓強(qiáng)也許輕松就能達(dá)到幾十億帕，在這種情況下，一種全新的冰誕生了，它被命名為18號(hào)冰，這種冰有著獨(dú)特的技能就是“可以導(dǎo)電”。所以，18號(hào)冰可能就是那些磁場(chǎng)混亂的冰凍星球的內(nèi)核。

天王星與海王星的磁場(chǎng)

可以導(dǎo)電的18號(hào)冰實(shí)際上是一種超離子態(tài)冰相，在極端高溫和壓力的雙重作用之下，氧離子會(huì)被鎖在固態(tài)的立晶當(dāng)中，氫離子則可以隨意移動(dòng)。正是這種之子的自由性，使得它的導(dǎo)電性增強(qiáng)。

2018 年，勞倫斯·利佛莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Millot等找到了超離子冰存在的第一個(gè)線索。他們對(duì)液態(tài)的水進(jìn)行壓縮，使得液態(tài)水在幾納秒內(nèi)變成了固態(tài)冰。經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電性在短時(shí)間內(nèi)比之前增強(qiáng)了數(shù)百倍。

18號(hào)冰中的水分子結(jié)構(gòu)圖

所以，大家別認(rèn)為火熱的星球內(nèi)部只有滾燙的巖漿，還有可能存在著各種形態(tài)各異的“冰”。當(dāng)然咱們?cè)谶@里說(shuō)的冰，已經(jīng)不是咱們認(rèn)知當(dāng)中的那種“冰”了，而是從分子的結(jié)構(gòu)和組成來(lái)說(shuō)的。

其實(shí)這個(gè)宇宙當(dāng)中，多的是超乎咱們想象的“東西”，就像低溫藝術(shù)者降臨地球后評(píng)價(jià)地球冰雪造型的那番話一樣。

“冰雪造型只是適合于你們世界的低溫藝術(shù)，冰雪的溫度在你們的世界屬于低溫，在暗物質(zhì)世界就屬于高溫了；而在恒星世界，熔化的巖漿也屬于低溫材料?！?/p>

冰封地球的概念圖