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立方冰存在吗？科学研究又有新发现

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记者从中国科学院物理研究所获悉，该所与北京大学等单位的科研人员合作研究发现，雪花并不总是“六出”，水结晶也可以直接形成立方冰，而影响立方冰形成的关键因素可能在于无处不在的异质界面。这一研究成果近日在《自然》（Nature）杂志发表。

水是宇宙中含量仅次于氢气的物质，而冰是宇宙中最常见的固体，它们是恒星形成的基础，也是生命之源。人们对冰的观察可以追溯到公元前。早在西汉年间，就有诗人韩婴发现“凡草木花多五出，雪花独六出”，科技革命先驱开普勒也曾经发出疑问“为什么飘落的雪花总是六角片状？”。

在自然界中，冰是一种属于六角密堆结构的晶体，这种微观的分子排布决定了宏观上冰晶的形貌也往往具有六次对称性。我们将这种晶体结构的冰称之为“六角冰”。

雪花总是“六出”吗？

冰在自然界中随处可见，比如在天气好的情况下，人们可以看见在太阳周围笼罩着一个或以上的彩色光环。这是阳光透过卷层云时，受到冰晶的折射或反射带来的一种光学现象。由于六角冰通常以冰六棱柱的基面和柱面作为截止面，日晕的视角通常是22度和46度。

但是，在极其罕见的时候，人们可以观察到28度左右的日晕。这种日晕被称为Scheiner’s halo，具体形成机制尚有争议。一种说法为，这时高空中温度较低，卷层云中的冰晶并不是通常的六角冰结构，而是一种类似于金刚石的面心立方结构。这种立方冰会呈现出正八面体的晶体形貌，阳光被这种冰晶折射后就会在28度形成日晕。也就是说，自然界中的雪花也许并不总是“六出”，它也有可能长成钻石的模样。

神秘的立方冰

虽然早在1629年的罗马，就有关于Scheiner’s halo的记载；诺奖得主Linus Pauling基于剩余熵理论也曾预言了立方冰的存在。而在1943年，德国科学家König通过电子衍射，最早报道了立方冰结构。后来人们在实验室中又通过各种方法，包括冻结纳米液滴法、离解气体水合物法、纳米限域结晶法等方式制备出了立方冰。

种种实验迹象以及理论计算认为，冰在形核结晶过程中可能更倾向于形成立方冰，再转变为我们常见的六角冰。于是很长一段时间中，关于水结晶领域的研究集中于立方冰的制备与表征中来。

但渐渐地人们发现，在实验室中无论通过什么方法制备的立方冰，其衍射峰总是偏离理想的面心立方的衍射特征，说明其并不是纯相的立方冰。严格地说，也许自然界并不存在所谓的“立方冰”，它也可能是密堆面上立方冰与六角冰随机堆垛的一种特殊结构。由于缺乏更进一步的表征手段，这种争议一直持续着。

六角冰、立方冰、堆垛无序冰