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[导读]在地球的普通环境中,水形成的冰被称为“冰Ⅰ”,我们经常把这类冰放到冷饮中降温,其分子形状是我们熟悉的六边形,也就是雪花的形状。

大自然中,我们经常可以看到水凝结成冰。

在地球的普通环境中,水形成的冰被称为“冰Ⅰ”,我们经常把这类冰放到冷饮中降温,其分子形状是我们熟悉的六边形,也就是雪花的形状。

当大气压增加10000倍时,在压力的作用下,水会凝结成“冰Ⅵ”,其分子形状变成棱柱形;继续增加压力,可以形成“冰Ⅶ”,其分子形状会变成立方体。

如果继续增加压力呢?天文学家认为在部分行星的中心,可能存在黑色的“超离子冰”,也就是“冰XⅥ”。

超离子冰是突破了形态限制的冰,液态水和固态冰对于超离子冰来说没有任何意义。

在超强的压力作用下,超离子冰中的氧原子按照一定的顺序排列,和普通的固态冰相同,但是氢原子却失去了电子,成为带电的离子,可以在固态冰中自由穿梭,就像在液态水中一样。

超离子冰的密度是普通冰的4倍,在极端的压力状态下,内部结构类似晶体,呈现出黑色的外观,并且由于氢原子失去电子并且可以自由移动,超离子冰具有导电能力。

超离子冰的猜想,起源于天王星和海王星的磁场不平衡。

天文学家认为在天王星和海王星的行星内部,巨大的压力作用可能会形成超离子冰,这些超离子冰在星球内部导电,从而导致行星的磁场出现偏移。

科学家也在实验室中,利用高压喷射,完成了超离子冰的创造,但目前超离子冰的存在时间只有几纳秒,并没有足够的时间进行研究。科学家正在寻找更加静态的方式创造超离子冰,从而提供良好的研究环境。

地球磁场是一个相对平衡的磁场,并且磁极距离地球两极的距离并不遥远,但是天王星和海王星的磁极非常倾斜,并且磁极之间也不是一条直线,如此怪异的磁场,让科学家怀疑两个行星的内部存在特殊的导电层。

超离子冰层的导电性,可以解释两颗星球的磁场异常,而且根据科学家对天王星和海王星的观测,两颗行星的内部,确实存在形成超离子冰的条件。两颗行星很有可能存在巨大的超离子冰层,其规模足以改变整颗星球的磁场。

我们都相信,正如我们在学校被教导的那样,物质的聚集状态只有 3 种状态,即固体、液体和气态,典型的例子是水,它基于一定的温度和压力,可以提供自身,例如冰、液态水和蒸汽。

然而,这种描述显然是还原性的,到目前为止,已经发现了大约 20 种不同的水分子聚集相,每一种都有不同的晶格,它们之间的物理和化学性质指数也不同,只是以状态 VI 和 VII 为例,我将氢原子和氧原子放置在它们之间以形成立方体和棱柱,但没有低估其他状态也会改变与物质电场和磁场的相互作用。

由该研究的合著者、芝加哥大学地球物理学家 Vitali Prakapenka 领导的一组科学家成功地稳定了一种新形式的水,即超离子冰,该理论于 1988 年首次由该大学研究员 Pierfranco Demontis 化学教授提出2018 年,加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员对其进行了短暂的观察。

这是水的第十八相,直到现在还没有人设法将其稳定超过 20 纳秒,这一壮举对研究人员团队来说是成功的,他们能够记录这一新相的晶体结构,观察如何,如果一方面氧原子被阻止形成标准冰中的固体结构,氢原子则保持超流体状态,事实上,在放弃电子后,它们变成带正电的粒子,可以像它们一样自由流动在流体中。

然而,需要更准确的测量,因此该团队使用金刚石砧对水加压,使其压力达到地球压力的约 350 万倍,此时激光束将其加热到高于地球上的温度。太阳表面 导致它爆炸,此时称为同步加速器的 X 射线发射器用辐射轰击液滴,其衍射研究允许推导出其结构。

科学家在两颗钻石之间压缩了一个水滴,并使用世界上最强大的激光器将其轰击至类似恒星的温度,结果形成了一种神秘的水状态。目前科学家将其称为“超离子导体冰”,这种怪异黑色水结构存在于地球中心的压力和温度条件下,该项发现将帮助研究人员调查分析隐藏在其他星球内核的秘密。

此前研究人员使用冲击波创造了这种怪异的冰结构,但仅20纳秒就融化了,这项最新实验标志着科学家首次创造出持续时间足够长的稳定超音速冰,10月14日《自然物理学》杂志发表了该项研究报告。美国芝加哥大学地球物理学家比塔利·普拉卡蓬说:“这是一个惊喜,每个人都认为该状态水物质很难复制,必须在更高的压力条件下才能形成。”液体、蒸汽和冰是水最常见的状态,但水分子也可以形成代表不同结构的其他排列,事实上,科学家已确定了水冰的20个状态——在不同温度和压力下,氢原子和氧原子会以不同方式结合在一起。

最新发现的“超离子导体冰”是冰的第18个状态,也是迄今为止发现最特殊的冰结构之一,因为其氧原子在水是固体时被锁定,但其氢原子脱离电子后成为离子,原子核因此剥夺了它们的电子,因此带有正电,可以像液体一样自由穿过冰。

普拉卡蓬说:“人们可以想象一个立方体,氧原子是立方体的固体点位,彼此由氢原子连接,最终形成一个立方体晶格,当它转变成超离子状态时,晶格会膨胀,允许氢原子四处移动,而氧原子则保持稳定位置,这有点像漂浮在氢原子海洋中的固体氧晶格。这些游动的氢原子以一种可预测的方式阻止光线穿过冰层,从而使冰层呈现黑色。”

水是维持生命不可或缺的资源,而它能展现的形式与面貌也比我们想象中还多,比如可能存在于天王星、海王星等冰巨星深处的黑色超离子冰。最近,科学家成功利用先进光子源实验重建了这些巨星上的冰结构,试图厘清它们如何冻结成超离子状态。

大家都知道水能以固态、液体或气态形式表现,然而根据环境温度与压力条件不同,固态冰实际上能形成高达19种不同结构(分子堆栈形状),其中一种极端形态为超离子冰(superionic ice),它就像液体和固体合二为一。

虽然模型已经预测了超离子冰相出现的条件,但若要指出精确温度又有点含糊不清,只能靠实验帮助确定液态与超离子状态的变化路径,然而不同实验方法的观察结果又存在巨大差异,因此想获得可信度高的结论始终是个挑战。

通常,水必须承受至少50GPa压力(当地球大气层下承受的力之50万倍)并以高功率激光加热,才能看到接近超离子冰的存在,因此,当阿贡国家实验室的先进光子源(Advanced Photon Source,APS)同步加速器展开实验、以相对温和的20GPa挤压并加热夹在两片钻石中间的水分子时,研究团队并没有抱多大期望。

结果惊喜就出现在研究人员眼前了。

根据X射线从样品上散射的方式,研究人员可以拼凑出内部原子的排列,而这场实验让团队精确搭建出超离子冰的结构与特性。

从理论来讲,其内部水分子排列为氧原子被周围不安定的氢原子包围着,想象有个立方体转变为超离子相时,晶格会膨胀使氢原子四处迁移,而氧原子则稳定保持在中间位置,就像漂浮在氢原子海洋中的固态氧晶格。

事实也证明,超离子冰出现条件比模型预估的还要温和,由于这些冰能影响一颗行星的磁场,厘清超离子冰的确切特性将有助于在其他行星寻找生命。

对科学家来说,超离子冰还有大量研究尚须钻研,包括它们的电导率、黏度、化学稳定性、与盐或其他矿物质混合时会发生的变化等。新论文发布在《自然物理学》(Nature Physics)期刊。

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