原子与分子物理研究所刘才龙副教授与巴黎矿物学、材料物理与宇宙化学研究所Frédéric Datchi等人合作，从实验上证明氨水冰在常温和压力高于7.4GPa的条件下会以无序的离子型分子合金相形式存在。该成果以“Topologically frustrated ionisation in a water-ammonia ice mixture”为题，发表在2017年10月20日出版的《Nature Communications》杂志上，刘才龙副教授为该论文的第一作者。
巨型冰星球类木行星及其卫星内部由大量的水、氨和甲烷等“冰”组成，各式各样的氢键和少量的重金属元素形成了它们的核心。在不同的温压条件下，这些“冰”均可以多态形式存在，例如：水冰存在17个相，氨冰至少存在5个相。这种多态包括各种分子结构相，还包括离子相和超离子相。离子相内部各原子或基团以离子键结合。超离子相笼统的说，则为质子在晶体之间自由扩散。在超离子相中的快速质子扩散可能与解释海王星或天王星的异常磁场有关。
与纯组分相比，氨水混合物无疑是众多化学品中最能引起科学家兴趣的，因为它们可以形成完全连接的HOH•••NH3和H2NH•••OH2氢键网络，且氨水混合物更接近于描述冰行星。在自然界中存在三种氨水纯相混合物，分别为：“氨的一水合物(AMH, NH3:H2O=1:1)，氨的二水合物(ADH, NH3:H2O=1:2)和氨的半水合物(AHH, NH3:H2O=2:1)”。该文中，研究者以AMH为研究对象，利用高压原位红外吸收光谱和拉曼光谱确定：AMH分子冰与离子冰的相转变压力为7.4GPa。利用高压原位同步辐射X光和中子衍射技术确定：当压力高于7.4GPa时，这种新结构相为具有体心立方结构的Im3m无序分子合金相和具有P4/nmm结构的离子相混合组成。从头算原子模拟计算方法结果揭示：“Im3m无序分子合金相在10GPa会压致部分离子化，形成一种混合的离子-分子合金。完全离子化被无序拓扑阻挫型离子化所取代，使得质子从水转移到氨分子上取决于近邻环境。这种AMH的离子型分子态，被冠名以无序的离子型分子合金（disordered ionico-molecular alloy，简称DIMA），属于一种非常规冰的形式。
氨冰在常温下的分子-离子相转变实验压力为150GPa，超离子相转变温压条件为：T˃700K和P˃60GPa；水冰的超离子化相转变温压条件为：T ˃1000K和P˃ 47GPa，离子化理论压力为1.4TPa。AMH冰在常温下发生离子化转变的压力仅为7.4GPa，远低于氨冰和水冰，预示其超离子相存在于更低的温压区域内，这对科学家通过实验和理论模拟研究其超离子相来解释海王星或天王星的异常磁场具有极为重要的意义。
论文全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-01132-z
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