7号冰是什么物质?一块7号冰真能让地球上的海洋全都冻结吗?

7号冰是什么物质?一块7号冰真能让地球上的海洋全都冻结吗?

刘慈欣在其短篇小说《梦之海》当中,描写了一个来自外星的“低温艺术家”将地球的海冻结成一块块冰,运送到地球轨道上大搞艺术的故事,你知道他为什么要这么做吗?

原来,低温艺术家想为地球打造一个环绕地球一周的“冰环”

低温艺术家打造“冰环”的构想图

这种行为使得海洋的水越来越少,而人们还在傻傻地为其“快速制冰”的技术啧啧称奇。当然,这是科幻小说中的描述,现实中会有这样高超的“制冰技术”吗?理论上来说还真有,而这个能让海洋冰封冻结的东西就是咱们今天要说的“7号冰”。

那么,7号冰到底是什么物质?一块7号冰真的能让地球上的海洋全部冻结吗?接下来,就让我们一起来看看,科幻是否真的能够照进现实

7号冰模拟图

当说到冰的种类有很多时,许多人下意识都会想,冰不都是由水冻结而成的吗,还能有这么多花样。确实,水分子的结构是比较简单和均匀的,可是它却常常能表现出不同于其他液体的性质

于是,冰作为水的一种凝聚态,也被当作了重点研究对象。在人们不断地探索之中,科学家发现了许多种冰的结构。这些冰是在不同压强和温度下,呈现出了多种的晶相和非晶结构

冰与水的分子结构

简单来说,在一般条件下,冰的晶格结构是六方体,这样的正常冰可以被称为1号冰。但是伴随着温度和压强的变化,水分子之间的氢键会表现出不同的结构和强度,因此其他“奇奇怪怪”的冰就诞生了。

科学家指出冰相还有氢有序和无序排列的成对的异构体。存在很多氧原子晶格相同,但氢原子排列不同的冰相结构,被称为冰对。

压强和温度对水的形态的影响

截至目前,科学家已经发现了19种冰。值得一提的是,他们是用罗马数字给这些冰进行编号的,不过为了方便大家阅读,我们依旧按照“几号冰”的方式来介绍。这19种冰当中除了1号冰是咱们生活中随处可见的,剩下都有自己与众不同的地方。

这之中,7号冰就凭借着自己的特殊性引起了科学家的注意。那么,7号冰到底有什么特别之处呢

水在不同的条件下,能结成不同的“冰”

咱们在前文中提到了冰相存在着氢原子有序排列和无序排列的两种方式,而7号冰的氢原子就是按照无序排列的,从结构来看,它是由两个相互套构的立方晶格组成,而子晶格之间并不存在相互链接的氢键。可它的特殊性不止在于它的无序排列,更重要的是它形成的环境相对简单

7号冰的晶体结构

这种冰的形成甚至不需要温度达到0摄氏度以下,在温度为4.9摄氏度的时候就能够顺利“成冰”了。这样来说的话,想用7号冰将地球的海洋冻结似乎也不是难事,因为它的形成条件看起来并不难。

不同尺寸纳米颗粒的冰成核温度

然而这只是温度,上文就提到了科学家发现多种冰的历程,不仅改变了温度还要改变压强。所以7号冰虽然对温度没什么要求,压强的要求却非常高。资料显示,7号冰如果想自然形成,那么压强最少要达到30亿帕

这个30亿帕确实是可望不可即的,因为咱们海底的压强充其量也只能达到几千万帕。所以,按照现实的正常条件,这种冰是不可能形成的。目前,7号冰大多出现于实验室之内

7号冰的形成条件很是严苛

当然,在2018年的时候,美国一个研究团队在一颗钻石当中发现了7号冰的存在,从展现的基本情况来看,这颗钻石就像是一个“天然压力室”把7号冰牢牢的锁在了自己的身体里。不过也有网友在看到这一消息之后表示,现在咱们是不是能合理怀疑“钻石注水”了。

钻石中的7号冰猜想图

Klotz等发现可以在3GPa以上通过冷却液态水至室温,或在95K以下通过对冰 VI 减压产生高压相冰VII(7号冰)。Bridgeman首次提出冰VII可以稳定存在于常温以及22kbar(1bar=105 Pa) 的压强下。

由此可见,咱们甚至能够简单粗暴地将7号冰理解为“高压冰”。只有在各个条件满足之后,7号冰才会开始“展现威力”,它的结晶速度相较于其它冰来说简直就是“神速”

7号冰的构想图

据估计,各项条件满足之后,7号冰的结晶速度能够达到1600公里/小时。所以,地球哪天真的像《后天》所演的那样海洋瞬间冻结,除了因为大幅度降温,还可能因为7号冰。既然这样说的话,一块7号冰真的能让地球上的海洋全部冻结吗?这种冻结是持续的还是只有一瞬间呢?

冰封海面

海洋的面积超过了地球总面积的70%,想用一块“7号冰”就直接将如此巨大的海洋给冻结,明显是不现实的。再者,我们前文中提到了7号冰的形成对于环境的要求是非常苛刻的,这也就意味着自然环境当中这种物质根本无法形成。可见,首先连“诞生”都没机会,就更别说冻结海洋了

就算真的诞生了,它也要在几十亿帕和4.9摄氏度的温度加持之下,才能在海洋中为所欲为,且冻结的速度应该也是比较持久的,不存在瞬间冻结的情况。问题是海洋这么大,怎么可能处处都维持着这个恰到好处的压强和温度呢

7号冰构想图

所以,7号冰在理论上的冻结速度确实非常强,但是真的将一块7号冰放入海洋,应该依旧面临着“双拳难敌四手”的局面,最终也翻不出什么浪花来。就是不知道刘慈欣在《梦之海》当中描写的那个外形低温艺术家是否也会运用“7号冰”的制冰技术,因为根据描述,他每天的取冰数量就高达1000块

实际上,除了7号冰十分神奇,科学家再接着研究之后,发现其他种类的冰不仅结构有意思,还能够帮助人们揭开太阳系某些冰冻行星深处的秘密

宇宙中的冰行星——天王星

大家都知道,人类在寻找宜居星球的时候,往往会特别关注到“液态水”的存在。所以此前在探访太阳系内的各大行星时,一直都怀揣着找到液态水的希望,不过最终结果并不乐观

在发现各种结构形态的冰之后,科学家认为距离地球很远的海王星或者天王星的内部可能存在着不同于地球的温度和压力。换句话说,这里的压强也许轻松就能达到几十亿帕,在这种情况下,一种全新的冰诞生了,它被命名为18号冰,这种冰有着独特的技能就是“可以导电”。所以,18号冰可能就是那些磁场混乱的冰冻星球的内核

天王星与海王星的磁场

可以导电的18号冰实际上是一种超离子态冰相,在极端高温和压力的双重作用之下,氧离子会被锁在固态的立晶当中,氢离子则可以随意移动。正是这种之子的自由性,使得它的导电性增强。

2018 年,劳伦斯·利佛莫尔国家实验室的物理学家Millot等找到了超离子冰存在的第一个线索。他们对液态的水进行压缩,使得液态水在几纳秒内变成了固态冰。经过测量发现,导电性在短时间内比之前增强了数百倍。

18号冰中的水分子结构图

所以,大家别认为火热的星球内部只有滚烫的岩浆,还有可能存在着各种形态各异的“冰”。当然咱们在这里说的冰,已经不是咱们认知当中的那种“冰”了,而是从分子的结构和组成来说的

其实这个宇宙当中,多的是超乎咱们想象的“东西”,就像低温艺术者降临地球后评价地球冰雪造型的那番话一样。

“冰雪造型只是适合于你们世界的低温艺术,冰雪的温度在你们的世界属于低温,在暗物质世界就属于高温了;而在恒星世界,熔化的岩浆也属于低温材料。”

冰封地球的概念图