《自然》子刊：科學家造出新物態，冰可在數千度高溫下存在

在最近的一項研究中，科學家們在高溫高壓下成功制出了一種全新狀態的水冰，它是在接近太陽表面溫度的情況下生成的。這種冰具有極高的密度，並且其內部的氫離子可以自由流動，科學家們稱這種新物態為「超離子態（superionic phase）」，這種冰也被稱為「超離子冰（superionic ice）」。這項研究已經發表於2018年2月份的《自然·物理（Nature Physics）》雜誌。

用於製造超離子冰的激光高壓設備，此為暗室中的時間積分圖像

提到冰，人們的第一反應通常是寒冷。但是，最近的一項科研成果，或許會令你有所改觀。

這種冰，既可算作固體，也可算作液體。它比普通的冰塊密度高60倍，而且是在幾乎和太陽表面一樣的高溫下形成的。

這就是超離子冰，科學家們最近在實驗中首次成功製備了它們。

在30年前，科學家們就預言，在高溫高壓下，水可以形成一種性質奇異的「冰」，其密度極高，並且其中的氫和氧會產生奇怪的變化：氫離子可以像液體一樣在氧構成的固體晶格中「流動」。並且科學家們認為，在天王星和海王星的內部，就存在著這種高壓水冰。

「我們的工作為超離子冰的存在提供了實驗證據，表明它們並非只存在於模擬計算中，而是可以真正製備出來並檢測到其奇異的性質」，在加州的勞倫斯·利物莫國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）工作的物理學家馬里厄斯·米洛特（Marius Millot）在一份聲明中說道，他是這項研究工作的領導者。

計算機模擬顯示，氫離子可以在超離子冰的晶格中流動

製造這種冰的過程非常複雜。首先，研究人員將水壓縮成一種超強立方晶體（ultrastrong cubic crystalline），其結晶形式與普通冰塊完全不同。這種操作需要用金剛石砧施加25億帕斯卡的壓強來完成，這個強度是地球大氣壓的25000倍。接下來，研究人員用激光進一步加熱並壓縮這個晶體，每個晶體都要在高壓下接受從6個方向射來的激光100次以上。

米洛特說：「因為我們預先壓縮了水，所以可以使用較少的衝擊性加熱次數。」因此，這種新方法可以讓研究人員可以在比以往研究中更低的溫度下獲得高壓，雖然此時晶體的溫度還是會有數千攝氏度。

一旦這種超離子冰製備完成，科研團隊就必須迅速分析它的光學和熱力學性質——因為這種高達2000億帕斯卡的高壓難以一直維持，在激光產生的壓力波釋放掉之前，他們只有10到20納秒的時間。

實驗中，研究人員發現，在這種奇高的壓強之下，冰在8540華氏度（合4725攝氏度）左右才會融化。「令人難以置信，水冰可以在行星內部數千度的高溫下存在，但是實驗證實了這一點」，這項研究的作者之一，加州大學伯克利分校的行星物理學家雷蒙德·讓洛茲（Raymond Jeanloz）在同一份聲明中說道。

這些新發現可以讓科學家們推測天王星和海王星等行星內部的情況——據推算，這些行星內部有65%的成分是水，另外還有一些氨和甲烷。

天王星（左）和海王星（右）

以往的研究認為，這些行星內部是流行性極強的導熱物質，但將超離子冰考慮在內後，情況會完全不同。研究人員在聲明中認為，這些星球只有較薄的一層是液體，而地幔中的大部分物質都是超離子冰。

這種觀點將證實科學家們在數十年前的計算模擬，來解釋天王星和海王星內的奇怪磁場。天王星的磁場與自轉軸有高達59度的偏差，海王星也有47度，這些數值與地球相比非常極端（地球的磁場與自轉軸只有11度的偏差）。同時，它們的磁場還有非常奇異的表現：比如，天王星的磁場就像是有閘門一樣，可以不時出現或消失。

但是，要對這些行星進行更深入的研究，科學家們不得不等到新型航天器研發出來。所幸，NASA正在籌劃製造用於考察天王星或海王星的航天器，在未來的幾十年中可能就會正式開始考察計劃。同時，這項研究的實驗者也計划進一步提高實驗中的壓強，來模擬木星或土星內部的情況。

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