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水是宇宙中重要物质,在冰质行星内部研究中,冰 VII 备受关注。研究人员开展准弹性中子散射(QENS)测量研究,发现冰 VII 存在塑性相,分子具液态水的旋转动力学特性。这一成果有助于理解冰质行星动力学和冰质卫星分化过程。
水是宇宙中第三丰富的分子,也是冰质卫星、巨行星以及类似天王星和海王星的系外行星内部的关键组成部分。由于其独特的分子结构和灵活的氢键,能适应广泛的压力和温度条件,水会形成众多晶体和非晶相。在行星内部的高温高压环境下,冰 VII 最为相关。模拟研究表明,在冰 VII 的融化曲线中存在一种所谓的塑性相,在这个相中,单个分子像在固体中一样占据固定位置,但又能像在液体中一样旋转。然而,这种塑性冰尚未在实验中被直接观测到。
此次,研究人员进行了准弹性中子散射(QENS)测量,测量温度在 450 至 600K 之间,压力高达 6GPa。测量结果揭示了一种体心立方(bcc)结构的存在,这与冰 VII 中的结构一致,且水分子表现出皮秒级的旋转动力学,这是液态水的典型特征。与分子动力学模拟结果对比发现,这种塑性冰 VII 并不符合自由转子相,而是呈现出快速的取向跳跃,就像在跳跃转子塑性晶体中观察到的那样。研究人员预计,对塑性冰 VII 的这一观测结果,将影响人们对冰质行星地球动力学以及大型冰质卫星分化过程的理解。