Crystallization of pristine cubic ice from liquid at ambient pressure
这项研究表明，通过冷却限制在介孔二氧化硅内的水合物形成水溶液，可以在大气压下从液态直接且可重复地形成纯净的立方冰（Ic），揭示了纳米限域和笼状化合物促进剂为这种此前难以捉摸的多晶型物提供了一条天然可及的路径。
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水是地球上最熟悉的物质之一，然而它隐藏着一个困扰了科学家数十年的秘密。当水结冰时，它通常会变成一种具有特定、有序形状的晶体，被称为六角冰。这就是我们在雪花、冰川和冷冻室中看到的冰。然而，水分子也可以排列成另一种更罕见的形状，称为立方冰。长期以来，科学家们一直在争论这种立方形式是否能从液态水中自然出现，或者它是否仅仅是一种转瞬即逝、混乱且由多种形状组成的混合物，并迅速转化为常见的六角冰。这个问题之所以重要，是因为如果纯净的立方冰可以轻易形成，那么它在地球大气层和深空中的存在可能比人们想象的要普遍得多，这可能会改变我们对天气模式和彗星成分的理解。
一支研究小组现在发现了一种方法，可以在常压下直接从液态水中使这种难以捉到的立方冰出现，而无需极端的低温或高压。他们通过将水和一种特定的有机化学物质混合物捕捉在一种被称为二氧化硅的材料的微小、海绵状孔隙中实现了这一点。二氧化硅就像一个容器，拥有数百万个微观隧道，每个隧道宽约3.7纳米。在这些隧道内部，研究人员放置了水和四氢呋喃（一种已知有助于水分子形成笼状结构的化学物质）的液体混合物。当他们将这种被捕捉的混合物冷却到150开尔文时，水便结冰了。
结果清晰且具有可重复性。研究人员使用一种向样品发射中子的强大仪器来观察原子的排列方式，观察到水已经变成了纯净、完美的立方冰。这并不是一种杂乱的混合形状，而是一种单一、均匀的晶体结构。实验表明，当每克二氧化硅占据0.34至0.60立方厘米的空间时，这种转变就会可靠地发生。至关重要的是，研究人员证明了立方冰的形成完全归功于微小隧道与四氢呋喃的结合。当他们使用纯水或不形成笼状结构的另一种化学物质进行对照实验时，水结成了常见的六角冰或无序的混合物，从未出现过纯粹的立方形式。
这项研究还揭示了混合物中未结冰部分的状况。虽然隧道中心的水变成了立方冰，但靠近隧道壁的一层薄薄液体保持未冻结状态，变成了玻璃态的非晶态。这一玻璃层包含了四氢呋喃分子，这些分子似乎与二氧化硅表面发生相互作用，从而阻止了冰在该处形成。这种分离表明，有机分子在引导水分子进入立方形状方面起到了直接作用。研究人员测量了这种受限冰的熔点，发现为230开尔文，这与冰在如此微小空间中的行为是一致的。
这一发现表明，立方冰不仅仅是实验室里的奇特现象，而是一种可以在自然条件下存在的稳定水形态。实验中所使用的设置模拟了大气层中的微小尘埃颗粒或彗星的冰粒中可能存在的水环境。在这些地方，有机分子和矿物尘埃经常共存，创造了研究人员用于生长冰的完全相同的条件。研究结果挑战了这样一种观点，即高层大气或太空中的冰主要是由无序形状组成的混合物。相反，它表明在存在正确成分的情况下，纯立方冰可能是这些环境中的主要形式，直接由液态水形成。通过展示这一过程可以在相对较高的冰温和常压下运作，该研究为理解水在宇宙中最极端和最遥远角落的行为开辟了一条新路径。
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