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。

kexuedefazhanbingbushiyituanheqide
，haozaijiyuguangfanzhengyiqiusuodedaodedaan，shijindezhulishikaoyande。zuijin，womendekexuejiajiujiejuediaoleguanyubingdeyigezhengyiyijiudemituan：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Ⅰ具ju有you一yi種zhong六liu角jiao密mi堆dui積ji結jie構gou，這zhe種zhong結jie構gou的de晶jing體ti在zai生sheng長chang的de時shi候hou，六liu個ge棱leng麵mian和he上shang下xia兩liang個ge台tai麵mian是shi最zui穩wen定ding的de
，因yin此ci大da概gai率lv會hui長chang成cheng六liu角jiao形xing，這zhe種zhong冰bing也ye被bei稱cheng為wei“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(ge)22°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(bing)Ⅰ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”。

立li方fang密mi堆dui積ji和he六liu角jiao密mi堆dui積ji

，就jiu像xiang是shi碳tan同tong樣yang擁yong有you的de金jin剛gang石shi立li方fang結jie構gou和he六liu角jiao結jie構gou。地di球qiu環huan境jing中zhong最zui常chang見jian的de冰bing和he碳tan，再zai一yi次ci展zhan示shi了le結jie構gou組zu裝zhuang的de相xiang似si性xing。但dan相xiang比bi於yu碳tan的de晶jing體ti學xue探tan測ce
，冰bing的de晶jing體ti學xue實shi驗yan探tan測ce擁yong有you巨ju大da的de障zhang礙ai——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；ciwai，lifangbingheliujiaobingdechabiejixiao，jinjinshiduijifangshilveyoubutong。dangqiandelilunyegaosuwomen
，butongxingtaijingtigongcundekenengxingbuda
，womenkandaodejingtisihudoushidanyide、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/北bei京jing大da學xue王wang恩en哥ge院yuan士shi迅xun速su組zu建jian團tuan隊dui，利li用yong具ju有you超chao高gao空kong間jian分fen辨bian的de原yuan位wei透tou射she電dian子zi顯xian微wei鏡jing，結jie合he無wu損sun探tan測ce的de低di劑ji量liang成cheng像xiang相xiang機ji
，從cong頭tou到dao尾wei的de觀guan察cha冷leng凝ning結jie冰bing的de全quan過guo程cheng
，發fa現xian了le立li方fang冰bing和he六liu角jiao冰bing的de競jing爭zheng生sheng長chang。而er且qie在zai最zui初chu始shi階jie段duan，立li方fang冰bing更geng占zhan優you
，但dan最zui終zhong尺chi寸cun較jiao小xiao
，六liu角jiao冰bing結jie晶jing晚wan，但dan生sheng長chang會hui更geng快kuai。這zhe些xie直zhi觀guan的de實shi驗yan數shu據ju
，為wei立li方fang冰bing是shi否fou存cun在zai提ti供gong了le確que鑿zao有you效xiao的de實shi驗yan證zheng據ju。這zhe種zhong少shao見jian的de多duo相xiang競jing爭zheng生sheng長chang現xian象xiang，在zai拓tuo寬kuan了le理li論lun認ren知zhi的de同tong時shi，也ye解jie釋shi了le為wei什shen麼me之zhi前qian的de衍yan射she實shi驗yan中zhong得de到dao的de樣yang品pin很hen難nan是shi單dan晶jing相xiang。

關(guan)於(yu)立(li)方(fang)冰(bing)的(de)爭(zheng)議(yi)，充(chong)分(fen)展(zhan)示(shi)了(le)我(wo)們(men)對(dui)大(da)自(zi)然(ran)科(ke)學(xue)認(ren)知(zhi)的(de)曲(qu)折(zhe)過(guo)程(cheng)。科(ke)學(xue)爭(zheng)議(yi)的(de)討(tao)論(lun)和(he)解(jie)決(jue)，也(ye)充(chong)分(fen)展(zhan)示(shi)了(le)科(ke)學(xue)儀(yi)器(qi)發(fa)展(zhan)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)。當(dang)前(qian)的(de)冰(bing)研(yan)究(jiu)依(yi)然(ran)謎(mi)團(tuan)重(zhong)重(zhong)，但(dan)我(wo)相(xiang)信(xin)在(zai)科(ke)學(xue)技(ji)術(shu)和(he)理(li)論(lun)研(yan)究(jiu)的(de)攜(xie)手(shou)發(fa)展(zhan)下(xia)，問(wen)題(ti)終(zhong)將(jiang)迎(ying)刃(ren)而(er)解(jie)。

（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