科學家證實水存在超離子熱冰形態

動用了地球上最強大的激光器之一，科學家總算製得了「超離子」熱冰——可以在數千度下保持固態的結晶水。

在恐怖的壓力下，有可能誕生出這種奇異形式的冰，實驗的結果或許揭示出了天王星和海王星等巨大冰行星的內部結構。

在地球表面，水的沸點和冰點相對固定。但這兩種狀態都受壓力的影響(這就是為什麼在高海拔地區水的沸點更低)。

在真空中，水不能以液體形式存在。它在-270℃(即宇宙空間的平均溫度)下立即沸騰並蒸發，然後逐漸變成冰晶。

但據理論推測，在極高壓環境中，情況恰恰相反：即使在極高的溫度下，水也會凝固。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家們最近才直接觀察到這現象，並且在去年發表了一篇詳細的論文。

他們創造了Ice VII，冰的某種結晶類型。實驗環境的壓力超過地球大氣壓的30000倍，或者說3千兆帕斯卡，並用激光轟擊水分子。得到的冰具有可導電的離子流，而不是電子，這就把它稱為超離子冰的原因。

現在他們又完成了後續實驗。他們提議將新產物命名為Ice XVIII。

在之前的實驗中，團隊只能觀察到一般性質，如能量和溫度；內部結構的細節仍然難以捉摸。因此他們設計了一個使用激光脈衝和X射線衍射的實驗來揭示冰的晶體結構。

「我們想確定超離子冰的原子結構。」LLNL的物理學家Federica Coppari說，「但考慮到維持難以捉摸的物質形態穩定所需的極端條件，在如此壓力和溫度下，同時拍攝原子結構是一項非常困難的任務，這需要新的實驗創意。」

首先，在兩張鑽石砧之間鋪設一層薄薄的水。然後使用6台巨型激光器以逐漸增加的功率發射一系列衝擊波，在高達100-400千兆帕斯卡的壓力下壓縮水。

隨後將溫度提升至1650至2760攝氏度之間(太陽表面為5505攝氏度)。

水在此時會結晶，但由於壓力和溫度條件只能保持幾分之一秒，物理學家不確定冰晶是否會形成和生長。

因此，他們使用激光器發出另外16道脈衝上轟擊一小塊鐵箔，產生一道等離子體流，在恰當的時間產生X射線閃光。這些閃光相當於從內部晶體衍射，顯示出結晶體的穩定性。

「我們測量到的X射線衍射圖譜是在超快衝擊波壓縮過程中形成的緻密冰晶的明確標誌，證明來自液態水的固體冰的成核速度足以在實驗中的納秒時間尺度內被人類觀察到。」Coppari說。

X射線顯示出了前所未見的結構——每個角上和面中心上都有氧原子的立方晶體。

LLNL的物理學家Marius Millot表示，「找到氧氣晶格存在的直接證據，是超離子冰理論最終缺失的部分」。

「這為我們去年提出的實驗證據提供了額外的支持。」

這一結果可以用來解釋海王星和天王星等冰巨人如何能夠擁有如此奇怪的磁場——海王星有著與天王星類似的磁層，它的磁場相對自轉軸有著高達47°的傾斜，並且偏離核心至少0.55 半徑，或是偏離物理上的中心13500公里。在航海家2號抵達海王星之前，天王星的磁層傾斜假設是因為它躺著自轉的結果，但是，比較這兩顆行星的磁場，以前科學家認為這種極端的指向是行星內部流體的特徵。這個區域也許是一層導電體液體(離子水和氨的流動海洋代替地幔)形成的對流層流體運動，造成發電機的活動。*該段落來自百科

但該團隊的研究表明，這些行星可以像地球一樣具有堅固的地幔，但是由超離子冰而不是岩石構成。由於超離子冰具有高導電性，可能會影響到行星的磁場。

「實驗結果極大地影響了我們對冰巨行星的內部結構和演化的理解，以及它們在太陽系內眾多的外在行為表現。」

該研究發表在《自然》上。

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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