无定形水冰至少有三种不同的结构形式，都缺乏长程晶序。高密度非晶冰(HDA)最初是在130 K以下将冰I压缩到11 kbar的过程中产生的，该过程被描述为热力学熔融，这意味着HDA是水的玻璃态。这一概念以及将HDA可逆转化为低密度非晶冰的能力启发了双液态水模型，该模型将非晶相与深度过冷(低于228 K)状态下的两种液态水联系起来，以解释水的许多异常现象(如密度和热容异常)。
然而，HDA的形成也被归因于引起结构坍塌的机械不稳定性，并与动力学太慢而无法发生再结晶有关。这一解释得到了以下几方面的支持：1. 模拟结果；2. 与结构相似的系统进行的类比；3. 观察到冰被压缩时晶格振动软化（红移）；4. 也与最近在更高温度下的冰压缩结果相一致——温度在145到200 K之间（被称为水的“无人区”，即温度介于过冷水均相成核温度(TH)和非晶冰结晶温度(TX)之间），对应的动力学速度更快，因此形成了结晶相。
基于以上，美国橡树岭国家实验室Chris A. Tulk团队进一步研究了以上过程中动力学所起的作用，结果表明，如果缓慢地进行，即使在100 K下（此温度下通常会形成HDA）压缩冰I也会依次形成质子有序、非互穿结构的冰IX′，质子有序、互穿结构的XV′，最后形成冰VIII′。相比之下，快速压缩也产生了HDA，但没有形成冰IX，并且冰I向冰XV '的直接转变在结构上受限。这些观察结果一方面表明，HDA的形成是低密度冰I和高密度冰XV '之间的动力学停滞转化的结果，另一方面也挑战了将非晶冰与过冷液态水联系起来的理论。
图1. （a）压力下的非晶冰、深度过冷液态水和过冷液态水之间可能存在的关系；（b）在相关压力范围内冰的晶相图。
图2. （a）晶态冰Ih和HDA经快速压缩后的结构因子函数S(Q)；（b）样品缓慢压缩后观察到的一系列结晶相的衍射数据。
图3. （a）冰Ih在100 K下缓慢压缩时的转变；（b）在100 K下快速压缩时观察到的转变次序。
Chris A. Tulk, Jamie J. Molaison, Adam R. Makhluf, Craig E. Manning & Dennis D. Klug. Absence of amorphous forms when ice is compressed at low temperature. Nature, 2019.
DOI: 10.1038/s41586-019-1204-5
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1204-5#article-info
