冰是一种具有独特性质的迷人物质。与大多数物质不同的是，即使在极低温度下，冰也无法达到预期中的有序状态。《美国国家科学院院刊》近期发文称，意大利国际高等研究院（SISSA）、阿卜杜斯•萨拉姆国际理论物理中心（ICTP）和物理研究所（IFIR-UNR）在意大利国家研究委员会（CNR-IOM）的支持下，对导致造成冰的奇异无序现象的原因进行了研究。他们发现，在特定条件下，冰能够恢复部分有序性。研究人员描述了有序状态下低温冰的铁电性。
“在一块理想有序的冰中，每个水分子的氢原子都会指向同一方向。”SISSA和ICTP物理学家Alessandro Laio解释，“如果事实果真如此，冰应该会表现出宏观电极化，即铁电性。然而，即便在很低的温度下，冰中的水分子也会‘不守规矩’，朝着不同方向无序排列。”
20世纪30年代，Linus Pauling在实验中发现了冰的这种反常行为，并提出了著名的“冰规则”——不论何时，每个氧原子有且仅有两个质子与之结合形成水。这种“约束动力学”导致有序化过程变得无限缓慢。SISSA、ICTP和CNR-IOM物理学家Erio Tosatti说：“如果不是杂质的作用，我们至今都无法验证质子有序和冰的铁电性的真伪。因为无论是实验还是模拟，都无法突破‘冰规则’的限制。”
事实上，如果已知杂质（如KOH）取代了水，有序化过程在极低温度下会出现成核现象，并使冰缓慢变成部分有序的铁电体。研究人员怀疑“冰规则”可能是这一情况的诱因，但确切原理还是一个谜。
Laio 在Jorge Lasave和Sergio Koval的协助下，设计了一种理论模型来解释纯冰和掺杂冰的行为。Laio解释：“模型结果显示，一旦杂质被引入初始失衡的低温无序状态，它将成为有序状态萌发的种子。但是这种有序态有点特殊，只有杂质前后的水分子才能找到正确的朝向。因此，在过程的最后时刻，只有一部分水显示出了有序性。这种非典型过程的很多特征可以用于解释掺杂冰的缓慢有序化行为和不完全的铁电有序性。”
新研究强调的机制可能会被拓展至冰表面，用于解释部分铁电极化现象（这种现象可能与宇宙空间的冰粒聚集现象相关）。
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编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《美国国家科学院院刊》
期刊编号：0027-8424
原文链接：
https://phys.org/news/2020-12-disorder-crystalline-ice.html
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