我們宇宙的奇異水相：實驗室成功創造「冰十八」，此前無法證明存在
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幾十年前，科學家就提出超離子導體冰概念，也就是所謂的「冰十八」。他們認為超離子導體冰存在於天王星、海王星等冰巨星的地幔。但一直以來，沒有一個人通過實驗證明它們的存在。最近，科學家在羅切斯特大學的激光力學能實驗室成功創造出超離子導體冰。超離子導體冰擁有一系列怪異的特性，有助於揭示天王星、海王星等冰巨星的謎團。科學家指出這種奇異水相可能遍布宇宙的每個角落。
超離子導體冰的發現有助於科學家揭開天王星、海王星等冰巨星的謎團
在紐約布萊頓的激光力學能實驗室，科學家利用世界上最強大的激光轟擊一滴水，所形成的衝擊波讓水的壓力達到大氣壓的數百萬倍，溫度飆升到數千攝氏度。與此同時，X射線穿過水滴，讓科學家首次目睹極端環境下的水形態。X射線觀測結果表明衝擊波內的水並沒有成為超熱液態或者氣態，反而是原子凍結，形成水晶般透明的冰。正如隔壁房間中目不轉睛盯著屏幕的科學家們所預期的一樣。
這項實驗由勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室物理學家費德麗卡?科帕里和馬修斯·米洛特帶隊，研究發現刊登在《自然》雜誌上。實驗證明了所謂的「超離子導體冰」的存在。這是一種奇異的水相，擁有一系列不可思議的特性。與我們熟悉的冰不同，超離子導體冰「又黑又燙」，密度是普通冰的4倍。30年前，科學家首次提出理論，預言超離子導體冰的存在。儘管直到如今科學家才能確認它的存在，但他們一直認為超離子導體冰可能是宇宙中數量最多的水形態之一。
海王星，擁有與眾不同的磁場
至少在太陽系，天王星和海王星內部的超離子導體冰數量超過其它水相，包括地球、木衛二「歐羅巴」和土衛二「恩克多拉斯」的液態水。超離子導體冰的發現有助於科學家揭開天王星和海王星等冰巨星的一系列謎團。這種奇異冰也就是所謂的「冰十八」，是一種新晶體。此前所有已知水冰都由完整的水分子構成，冰十八則截然不同。這種冰部分呈固態，部分呈液態。它們的水分子瓦解，氧原子形成一個立方晶格，氫原子自由流動，穿過晶格。
專家們表示冰十八的發現驗證了電腦的預測，可以幫助材料學家在未來創造出擁有特定特性的新材料。發現這種冰需要進行超速測算，精確的溫度和壓力控制以及先進的實驗技術。倫敦大學學院的克里斯托夫·薩爾茲曼表示:「5年前，科學家還無法做到這些。毫無疑問，這將產生巨大影響。」法國國家科技研究中心物理學家利維亞·波夫指出由於水分子瓦解，冰十八並不是一個真正意義上的新水相，而是一種新的物質形態。
羅切斯特大學激光力學能實驗室的X射線衍射實驗
模擬結果顯示在極端壓力和溫度條件下，水分子會土崩瓦解。氧原子被禁錮在立方晶格，氫原子從一個位置跳到另一個位置。由於速度太快，它們彷彿液體一樣流動。此外，氫原子還發生電離，本質上就是一個帶正電的質子。這意味著冰十八能夠導電，氫原子扮演電子的角色。此外，鬆散的氫原子還能提高冰十八的熵值，讓這種冰的穩定性超過其它冰晶，進而導致融點飆升。
就在科學家首次預言冰十八前後，「旅行者2」號飛船進入太陽系外側，並發現了天王星和海王星磁場的怪異現象。太陽系其它行星的磁場擁有明確的南極和北極，並沒有太多其它結構。相比之下，天王星和海王星的磁場更為複雜，並不只有南北兩極，與自轉方向也不一致。一種可能性是，負責兩顆冰巨星「發電機」運轉的導電流體被禁錮在天王星和海王星的薄外殼，而不是進入地核。不過，這意味著它們可能擁有固態核心，而固態核心無法形成「發電機」。
羅切斯特大學的激光力學能實驗室
在此前的一項實驗中，物理學家發現了冰十八的間接證據。實驗中，他們將一滴室溫水塞入兩顆鑽石的尖端之間。當壓力提高到一個吉帕斯卡（馬里亞納海溝底部壓力的10倍左右），水滴變成四方晶體，也就是冰六。壓力提高到兩個吉帕斯卡後，變成了冰七，一種更緻密的透明立方形態。最近，科學家在天然鑽石內部發現了冰七。
藉助激光力學能實驗室的OMEGA激光器，米洛特和同事創造出冰十八。這一次的水滴仍夾在鑽石砧之間。隨著激光照射到鑽石表面，蒸發的物質向上移動，把鑽石往相反的方向推，讓衝擊波穿冰而過。與預想的一樣，米洛特的團隊發現冰十八的融點在4700攝氏度左右。由於帶電質子的移動，這種冰能夠導電。
哈勃望遠鏡2006年拍攝的天王星照片
在確定冰十八的特性後，科帕里和米洛特帶領他們的團隊分析冰十八的結構。薩爾茲曼表示：「如果想證明某種物質是晶體，你需要進行X射線衍射。」他們的新實驗略過了冰六和冰七，利用激光轟擊鑽石砧之間的水滴。十億分之幾秒後，隨著衝擊波穿過，水開始晶體化，變成只有納米大小的冰塊。科學家利用16道激光束蒸發樣本旁邊的薄鐵片，所產生的炙熱等離子體讓晶體被X射線淹沒。冰晶讓X射線發生衍射，允許研究小組推測它們的結構。
冰十八是水中原子重新排列的產物。很久以前，科學家就預言這種奇異冰的存在，但始終未能發現。現在，他們最終如願以償。科帕里表示：「這是一項重大突破。」
勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室物理學家費德麗卡·科帕里
分析結果顯示雖然冰十八能夠導電，但它們呈糊狀固態，會隨著時間推移流動。在天王星和海王星內部，流體層可能在8000公里處戛然而止，隨之而來的是冰十八構成的地幔，導致發電機作用被限制在較淺的深度，進而造就了與眾不同的磁場。太陽系的其它行星和衛星內部並不具備產生冰十八所需的溫度和壓力。很多系外冰巨星可能存在冰十八，說明在銀河系的多冰世界，冰十八是一種常見物質。
來源：漫步宇宙
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