王立芬 來源：中國青年報 （ 2023年04月10日 08 版）

仰yang望wang天tian空kong，不bu知zhi是shi誰shui最zui先xian看kan見jian了le漫man天tian冰bing晶jing的de美mei妙miao，冰bing晶jing在zai地di球qiu上shang億yi年nian的de演yan變bian過guo程cheng中zhong又you見jian證zheng過guo多duo少shao時shi光guang秘mi密mi
？水shui是shi生sheng命ming之zhi源yuan，冰bing乃nai固gu態tai之zhi水shui
，人ren類lei在zai地di球qiu乃nai至zhi其qi他ta星xing球qiu上shang孜zi孜zi不bu倦juan地di探tan索suo著zhe水shui的de各ge種zhong形xing態tai
，試shi著zhe從cong大da氣qi
、雲層、冰川、河流、雪花中求索這些自然的奧秘。

關於水和冰的研究
，幾乎貫穿了整個自然科學的發展史。古希臘哲學家認為

，世界是由水、土、氣、火四元素組成，四元素說承認了世界的物質性，是早期人類認識世界的一大步。近代以來，人們開始了對水和冰的科學研究：拉瓦錫通過燃燒實驗發現了水由氫元素和氧元素組成；化學家萊納斯·鮑林基於摩爾和溫梅爾提出的氫鍵說法，進一步指出水分子之間有弱於範德瓦爾斯鍵的氫鍵相連，形成不同的氫鍵網絡；布拉格通過X射線衍射數據推導了冰的晶體結構；伯納爾和福勒根據冰的晶體學模型進一步給出水分子組裝成冰的“冰法則”，指出水分子組成四麵體的基本單元後通過氫鍵組裝成晶體結構。隨著一個多世紀的晶體學的發展
，迄今已有超過17種冰晶結構和3種非晶冰結構被發現或報道。

科ke學xue的de發fa展zhan並bing不bu是shi一yi團tuan和he氣qi的de
，好hao在zai基ji於yu廣guang泛fan爭zheng議yi求qiu索suo得de到dao的de答da案an，是shi禁jin得de住zhu曆li史shi考kao驗yan的de。最zui近jin
，我wo們men的de科ke學xue家jia就jiu解jie決jue掉diao了le關guan於yu冰bing的de一yi個ge爭zheng議yi已yi久jiu的de謎mi團tuan：中國科學院物理研究所白雪冬課題組團隊通過發展一種低損傷

、高(gao)分(fen)辨(bian)的(de)原(yuan)位(wei)透(tou)射(she)電(dian)鏡(jing)技(ji)術(shu)
，成(cheng)功(gong)實(shi)現(xian)了(le)在(zai)水(shui)分(fen)子(zi)分(fen)辨(bian)水(shui)平(ping)觀(guan)測(ce)冰(bing)的(de)形(xing)核(he)生(sheng)長(chang)過(guo)程(cheng)。具(ju)體(ti)是(shi)將(jiang)電(dian)鏡(jing)樣(yang)品(pin)杆(gan)上(shang)的(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)作(zuo)為(wei)冷(leng)盤(pan)，經(jing)過(guo)液(ye)氮(dan)降(jiang)溫(wen)冷(leng)卻(que)到(dao)零(ling)下(xia)170攝氏度，實時觀測鏡筒中殘存的水蒸氣在冷盤上的凝結過程，不僅捕捉到了水冷凝成冰的複雜過程，還發現了一種特殊的結構——立方冰。

前文提到科學界已發現了多種冰晶，它們按照被發現時間依次用拉丁數字排序。其中冰Ⅰ就是我們常見的雪花冰晶。雪花裏的“花”字體現了我們對冰晶的美達成的共識。如果你細心觀察
，可以發現雪花大多具有明顯的六重對稱性，這是因為冰Ⅰjuyouyizhongliujiaomiduijijiegou
，zhezhongjiegoudejingtizaishengchangdeshihou，liugelengmianheshangxialianggetaimianshizuiwendingde
，yincidagailvhuichangchengliujiaoxing


，zhezhongbingyebeichengwei“六角冰”。這zhe種zhong早zao在zai千qian年nian之zhi前qian就jiu古gu今jin共gong賞shang的de六liu角jiao冰bing晶jing
，通tong過guo詩shi人ren們men的de落luo筆bi生sheng花hua留liu下xia了le數shu不bu盡jin的de倩qian影ying。但dan我wo們men目mu到dao之zhi處chu，所suo見jian皆jie是shi六liu角jiao冰bing嗎ma？所suo有you的de冰bing雲yun
、冰川
、雪中都是六角冰嗎？

在1629年3月的一天，學者夏伊納在浮雲遮日時抬頭一看
，發現太陽上籠罩著一個28°左右的日暈環。它很特殊
，因為常見的日暈環是22°的。之後大家稱這種特殊的日暈為夏伊納暈。此後近四百年間
，大約有6次ci關guan於yu這zhe種zhong不bu常chang見jian日ri暈yun的de記ji載zai。和he水shui對dui光guang的de折zhe射she產chan生sheng彩cai虹hong一yi樣yang，冰bing晶jing本ben身shen作zuo為wei一yi種zhong晶jing體ti棱leng鏡jing，對dui光guang同tong樣yang也ye會hui產chan生sheng折zhe射she，在zai作zuo為wei自zi然ran光guang光guang源yuan的de太tai陽yang周zhou圍wei形xing成cheng一yi個ge光guang圈quan。光guang圈quan的de角jiao度du與yu折zhe射she晶jing體ti的de表biao麵mian夾jia角jiao相xiang關guan。因yin此ci冰bing層ceng中zhong常chang見jian的de具ju有you六liu棱leng柱zhu形xing貌mao的de六liu角jiao冰bing，會hui給gei太tai陽yang或huo者zhe月yue亮liang製zhi作zuo一yi個ge22°的光圈。那28°的光圈是不是暗示我們冰層中存在著其他晶相的冰晶呢？1981年
，學者惠利根據晶體折射角度首次提出：一個金剛石結構特有的八麵體晶體對光折射形成的就是這個光圈。也就是說，冰層中可能有金剛石結構的冰晶，即自然界中有立方冰？

早在惠利之前，實驗室中的科學家就開始行動了。例如模仿水冷凝結冰
，凍結納米液滴、離解氣體水合物、納米孔中水冷凍結冰等各個實驗條件被反複摸索，再對實驗樣品做X射she線xian衍yan射she或huo者zhe中zhong子zi衍yan射she等deng晶jing體ti結jie構gou分fen析xi。雖sui然ran很hen多duo實shi驗yan科ke學xue家jia聲sheng稱cheng獲huo得de了le單dan晶jing的de立li方fang冰bing
，但dan遺yi憾han的de是shi
，實shi驗yan用yong來lai標biao定ding晶jing體ti結jie構gou的de衍yan射she數shu據ju中zhong，總zong是shi有you或huo強qiang或huo弱ruo的de六liu角jiao冰bing的de信xin號hao。科ke學xue家jia要yao的de信xin號hao是shi至zhi純chun至zhi簡jian的de，容rong不bu得de半ban點dian毛mao刺ci。基ji於yu當dang前qian的de理li論lun認ren知zhi和he已yi取qu得de的de大da量liang實shi驗yan數shu據ju，自zi然ran界jie最zui常chang見jian的de冰bingⅠ對應的晶體結構進入了最激烈的討論中。這種對於實驗數據的反思和爭議，最初是由2012年一個科學家正式提出的
，他認為以往通過各種方法製備獲得的“立方冰”，並不具有金剛石的立方結構
，而是展示了一種特殊結構——“堆垛無序冰”。

lifangmiduijiheliujiaomiduiji，jiuxiangshitantongyangyongyoudejingangshilifangjiegouheliujiaojiegou。diqiuhuanjingzhongzuichangjiandebinghetan
，zaiyicizhanshilejiegouzuzhuangdexiangsixing。danxiangbiyutandejingtixuetance

，bingdejingtixueshiyantanceyongyoujudadezhangai——冰放在手裏怕化了，放在嘴裏怕化了，放在晶體測量設備裏更怕化了

；此ci外wai
，立li方fang冰bing和he六liu角jiao冰bing的de差cha別bie極ji小xiao，僅jin僅jin是shi堆dui積ji方fang式shi略lve有you不bu同tong。當dang前qian的de理li論lun也ye告gao訴su我wo們men，不bu同tong形xing態tai晶jing體ti共gong存cun的de可ke能neng性xing不bu大da，我wo們men看kan到dao的de晶jing體ti似si乎hu都dou是shi單dan一yi的de
、最穩定的一種晶型。因此，在當前的背景下，對立方冰結構的質疑和爭議
，就屬於公說公有理、婆說婆有理。

麵對這個曠日持久的爭議問題，中科院物理所白雪冬課題組與中科院物理所/beijingdaxuewangengeyuanshixunsuzujiantuandui
，liyongjuyouchaogaokongjianfenbiandeyuanweitoushedianzixianweijing
，jiehewusuntancededijiliangchengxiangxiangji，congtoudaoweideguanchalengningjiebingdequanguocheng
，faxianlelifangbingheliujiaobingdejingzhengshengchang。erqiezaizuichushijieduan，lifangbinggengzhanyou，danzuizhongchicunjiaoxiao，liujiaobingjiejingwan
，danshengchanghuigengkuai。zhexiezhiguandeshiyanshuju，weilifangbingshifoucunzaitigonglequezaoyouxiaodeshiyanzhengju。zhezhongshaojiandeduoxiangjingzhengshengchangxianxiang，zaituokuanlelilunrenzhidetongshi
，yejieshileweishenmezhiqiandeyansheshiyanzhongdedaodeyangpinhennanshidanjingxiang。

guanyulifangbingdezhengyi，chongfenzhanshilewomenduidazirankexuerenzhidequzheguocheng。kexuezhengyidetaolunhejiejue
，yechongfenzhanshilekexueyiqifazhandezhongyaoxing。dangqiandebingyanjiuyiranmituanzhongzhong，danwoxiangxinzaikexuejishuhelilunyanjiudexieshoufazhanxia，wentizhongjiangyingrenerjie。

（作者係中國科學院物理研究所副研究員、立方冰科學進展主要完成人之一）

2023年04月10日 08 版