液體水在足夠的壓力下會變成固體嗎？

01-04

當給水蒸汽高壓可以使水蒸氣液化，但是給液體高壓可以固化嘛？畢竟冰的體積比水的大

乾貨在這裡，實驗證據。水高壓下的晶體結構，如下圖。

Geim教授，就是那位憑藉發現石墨烯而獲得諾貝爾物理學獎的大牛，有一篇文章恰好關注了這個問題見Square ice in graphene nanocapillaries. 這個文章里的做TEM的實驗室和我們有合作很熟。

作者在兩片單層石墨烯形成密閉空間中壓縮水到一納米的厚度，發現水在其中成為了立方相的水單晶，而且這些單晶可以疊成雙層或者三層晶體。

我來介紹並分析一下，首先樓主提及的壓縮水的壓力是多少呢？答：一萬倍大氣壓，即1,013,250,000 Pa，也就是說大約相當於每平方米上壓了101,325噸的東西。這麼大的壓力是如何實現的？當然不是靠液壓來壓。是靠兩片石墨烯中的分子間相互吸引作用力來實現的。真是不得不讚歎大牛的實驗眼光。

大牛還給了一個視頻，顯示兩層石墨烯中間，在電子束的照射下，這個晶體不斷生滅，非常漂亮的工作。

更新：

看到大家感興趣，放幾張冰10（冰根據晶型不同，除一般冰以外，名字一直從冰2排到冰17）以上壓力逐漸升高的結構模型（沒錯，是模型而不是實際，因為這些貨要求的壓力已經超出了人類的能力了，所以造不出來）圖：

以下為原答案：

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這是一張水的相圖：

在100MPa~10GPa（1000-100000大氣壓）的區域，水是可以直接通過加壓變為固體的，固體的形態為高密度冰。壓力再高，甚至可以直接把超臨界狀態的水變成冰。

理論上，持續升壓會不斷摧毀水分子之間的鍵力，使一般低密度冰的結構發生變化，冰一共有十幾種晶體結構，比如說在南極最厚的冰蓋底層，由於壓力極大，就是以高密度冰的形式存在的。但是如果繼續加壓直至超出地球自然存在的壓力，到1Tpa（1千萬大氣壓）變為金屬態冰。

更高的壓力，比如說超過中子星內部壓力，會摧毀水分子內部氫原子和氧原子的原子結構，使水變成中子態……當然這在實際上是不可能的。

第一次玩金剛石對頂砧(diamond anvil cell)時，誤將水當作傳壓介質(甲醇: 乙醇: 水 = 16: 3: 1，作用是儘可能使壓腔內保持靜水壓狀態)，然後常溫下加壓，在顯微鏡下就看到水結晶的現象，預估當時壓強有20 GPa。結果當然是被老闆一頓嘲諷（因為我的失誤）。

高票回答，已經貼出了水的相圖，某就不多此一舉了。

在實際工作中我們通常用氖做傳壓介質，在高壓下(約大於5 GPa)氖也會結晶。這些傳壓介質結晶會導致樣品受力不均。如果水在高溫高壓下(我們的實驗最高記錄是3500 K，258 GPa)拚死不結晶，大家會直接以水作傳壓介質了（如果水不與樣品發生反應的話），誰還會費盡心機地發明那麼多奇葩的傳壓介質。

手機碼字，不太方便，請見諒。

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搜索文獻時碰到幾篇科普性的短文：

原文鏈接：1.Phase diagram of water and ice

2.Water phase diagram

相關文獻請搜關鍵詞：water phase diagram...

可以

我記得常溫下大約600MPa就可以把水壓成冰了。

當年研究超高壓滅菌技術和冷等靜壓機的時候查到的，以水為介質冷等靜壓機最高能達到600MPa，就是因為水會直接壓成冰，要達到更高壓力就需要換介質。

這是一個有實證的工程問題

各位不必亂開腦洞了。

讀圖。。。。講真，超高壓下形成的東西應該可以稱為固態，固體，卻不一定能被稱為固相。。。不過也符合題主要求了

建議題主看一下水的三相圖實名反

對@find goo 的瞎幾把答

這屬於高壓領域了，這裡不講理論，直接說結果，是可以。

用金剛石對頂砧壓水即可，通過金剛石觀測窗在顯微鏡下可以直接看到，這個實驗很簡單，而且不要太大壓力，可以看到水結冰，減壓後水再恢復原態，不超過3Gpa的壓力，具體壓力年代久遠，記不清了。

日本人做過相關視頻，可以找一下。

國考題目，你值得擁有

我大概跑題了(^_^;)剛好做到這

針對高贊回答想說明一下。Geim教授的這篇工作已經被我們組參與的相關合作，通過電鏡表徵證實了，形成了晶格條紋已經被是NaCl引起的,並且相關表徵工作的參與者也已經發了說明跟Geim進行了討論。Geim教授最近剛好在南京參加了石墨烯大會，對於這樣的結果他也基本表示認同，並認為可能是電鏡表徵方面的合作者將樣品污染所致，視頻再漂亮是假象，也是沒有用的。

附上上課時的相關說明。

高票 @賈明子的相圖已經能說明問題了，但對 @求畢業要淡定的答案持保留意見。 Geim的實驗確實賞心悅目，但是評論裡面 @范翼騰已經提到了，Geim實驗其實反映的是在confinement的條件下，水在石墨烯界面上的界面性質，這裡起作用的不僅是壓強，更重要的是水與石墨烯結構的相互作用。

以下舉個栗子：

隨手做了一個簡單的MD模擬，323K, 1atm，水分子用tip4p/2005，H2O與C的相互作用用比較新的PHS[1]力場描述，100ps後狀態如下圖，僅僅顯示靠近石墨烯界面的水分子。

圖上看得不是很明顯，但實際上是結構化的（或者說有序排列的，某種程度上可以稱作為結晶，但在界面上我比較傾向於不用這個詞）。下圖是密度曲線，橫軸單位是angstrom, 縱軸是每angstrom^3分子數，常溫常壓下非界面上的正常數值約為0.1。由於模擬時間並不長，所以密度曲線不是很平整，但是已經看得出來明顯的兩個尖峰，代表兩層結構化的水分子，而兩層水分子的厚度大概在0.7nm。在此我只想說，在常溫常壓下界面上的水分子已經是結構化的了，所以Geim實驗中得到的單晶的條件不只是要高壓，而是同時需要有水與石墨烯界面的存在，而且有confinement條件。之所以強調confinement，是因為在confinement條件下液體性質會有很大變化，如下圖，試想兩片石墨烯內壓住一定量的水，那麼平直的那一段0.1的密度曲線會消失，兩個界面引起的結構化水分子層會相互以更複雜的形式相互作用。

說到confinement，引用一篇講碳納米管中水形態的文章，也是MD Simulations [2]。可以很清楚的看到不同半徑的碳納米管中水的形態是不同的。

以上

[1] G. Pérez-Hernández and B. Schmidt, Physical Chemistry Chemical Physics 15, 4995 (2013).

[2] S. Gravelle, C. Ybert, L. Bocquet, and L. Joly, Phys Rev E 93, 033123 (2016).

小時候看一個科普讀物

木星因為引力太大

有液態氫

下邊是固態氫

最下邊還有一層金屬氫

會的。不過以地球上海底的深度自然情況下達不到，但實驗室理論上可以做。

其實不妨想想極限大時。。。兩種情況，要麼保持水分子的性質，變成了熱力學最穩定的單種晶體（晶體總是最穩定）要麼分子被壓碎，水分子不存在。。。大概是相圖（p-t)的上邊界了？

肯定會的

氫氣超高壓力都變金屬氫了。

水就更容易了

@大咸涼濕幹什麼關評論了。

我就覺得你的靠譜

亞固體

因為首先分子結構沒有發生變化的情況下，比如液化氣，這種，那麼基本不會出現較大的變化，至於氫金屬。。。。還在實驗室。。。

從玄幻的角度來說的話……

來自：《五行天》方想

介穩態不聊

水型物質 oc斜率為負

簡易相圖上常溫確實搞不出來

看水的三相圖不就結了…

=重大的壓力之下

找相圖看一眼不就知道了