宇宙中可能存在一种奇怪的水形式

最近，在纽约布莱顿的激光能量学实验室，世界上最强大的激光器之一喷射出一滴水，产生的冲击波将水的压力提高到数百万个大气压，将水的温度提高到数千度。在同样的几分之一秒内穿过水滴的 X 射线让人类在这些极端条件下第一次看到了水。 X射线显示，冲击波内的水并没有变成过热的液体或气体。矛盾的是——但正如物理学家们眯着眼睛盯着隔壁房间的屏幕所预料的那样——原子冻结成固体，形成结晶冰。 “你听到枪声，”加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的马里乌斯·米洛说，“你马上就会看到有趣的事情正在发生。” Millot 与同样来自劳伦斯利弗莫尔的 Federica Coppari 共同领导了这项实验。本周发表在《自然》杂志上的研究结果证实了“超离子冰”的存在，这是一种具有奇异特性的新水相。与在您的冰箱或北极发现的熟悉的冰不同，超离子冰是黑色和热的。一个立方体的重量是普通立方体的四倍。它在 30 多年前首次被理论预测，尽管直到现在才被发现，但科学家们认为它可能是宇宙中最丰富的水形式之一。至少在整个太阳系中，以超离子冰的形式存在的水可能比任何其他阶段都多，包括在地球、木卫二和土卫二的海洋中晃动的液态水。超离子冰的发现有可能解决有关这些“冰巨人”世界组成的数十年之久的难题。包括在普通冰中发现的六边形水分子排列，称为“冰 Ih”，科学家们已经发现了令人眼花缭乱的 18 种冰晶结构。在 Ih 和 Ic 两种形式的冰 I 之后，其余的按照它们的发现顺序编号为 II 到 XVII。 （是的，有冰 IX，但它只存在于人为的条件下，不像库尔特冯内古特的小说猫的摇篮中虚构的世界末日物质。）超离子冰现在可以声称冰 XVIII 的地幔。这是一个新的水晶，但有一个扭曲。所有先前已知的水冰都是由完整的水分子构成的，每个水分子都有一个氧原子与两个氢原子相连。但新测量证实，超离子冰不是那样的。它存在于一种超现实主义的边缘，部分是固体，部分是液体。单个水分子分裂。氧原子形成立方晶格，但氢原子自由溢出，像液体一样流过刚性的氧笼。

专家表示，超离子冰的发现证明了计算机预测的正确性，这可以帮助材料物理学家制造具有定制特性的未来物质。寻找冰需要超快的测量和温度和压力的精细控制，推进实验技术。伦敦大学学院的克里斯托夫·萨尔兹曼 (Christoph Salzmann) 说：“这一切在五年前都是不可能的，”他发现了冰 XIII、XIV 和 XV。 “这肯定会产生巨大的影响。”取决于你问的是谁，超离子冰要么是水已经杂乱无章的化身阵列的另一种补充，要么是更奇怪的东西。法国国家科学研究中心和皮埃尔和玛丽居里大学的物理学家 Livia Bove 说，因为它的水分子会分裂，所以它并不是水的一个新阶段。 “这真的是一种新的物质状态，”她说，“相当壮观。”物理学家多年来一直在研究超离子冰——自从 1988 年由 Pierfranco Demontis 领导的原始计算机模拟预测，如果你将水推到已知冰相图之外，它就会呈现出这种奇怪的、几乎像金属一样的形式。模拟表明，在极端压力和高温下，水分子会破裂。随着氧原子锁定在立方晶格中，“氢现在开始从晶体中的一个位置跳到另一个位置，然后再跳，又跳，”米洛说。晶格点之间的跳跃如此之快，以至于氢原子——被电离，使它们基本上带正电的质子——似乎像液体一样移动。这表明超离子冰会像金属一样导电，而氢则扮演通常的电子角色。让这些松散的氢原子四处涌动也会增加冰的无序或熵。反过来，熵的增加会使这种冰比其他种类的冰晶更稳定，使其熔点上升。但这一切都很容易想象，也很难相信。第一个模型使用了简化的物理学，在真实分子的量子性质中挥手。后来的模拟折叠了更多的量子效应，但仍然回避了描述多个量子体相互作用所需的实际方程，这些方程在计算上很难解决。相反，他们依赖于近似值，这增加了整个场景可能只是模拟中的海市蜃楼的可能性。与此同时，如果不产生足够的热量来熔化这种坚硬的物质，实验就无法产生必要的压力。然而，随着问题逐渐浮出水面，行星科学家们逐渐怀疑水可能存在超离子冰相。就在第一次预测该阶段的时候，探测器航海者 2 号驶入了外太阳系，发现了冰巨星天王星和海王星磁场的一些奇怪之处。

太阳系其他行星周围的磁场似乎由明确定义的北极和南极组成，没有太多其他结构。就好像它们的中心只有条形磁铁，与它们的旋转轴对齐。行星科学家将其归结为“发电机”：随着行星旋转，导电流体上升和旋转的内部区域，产生巨大的磁场。相比之下，天王星和海王星发出的磁场看起来更块状、更复杂，有两个以上的磁极。它们也不与行星的自转紧密对齐。产生这种情况的一种方法是以某种方式将负责发电机的导电流体限制在行星的薄外壳中，而不是让它深入到核心。但是，这些行星可能具有无法产生发电机的实心核心的想法似乎并不现实。如果你钻进这些冰巨星，你会期望首先遇到一层离子水，它会流动、传导电流并参与发电机。天真地，似乎更深的材料，在更高的温度下，也是流体。 “我过去常常开玩笑说，天王星和海王星的内部不可能是坚固的，”约翰霍普金斯大学的萨宾斯坦利说。 “但现在事实证明他们可能真的是。”在 2018 年 2 月发表的早期实验中，物理学家为超离子冰建立了间接证据。他们在两颗切割钻石的尖头之间挤了一滴室温水。当压力上升到大约 1 吉帕斯卡时，大约是马里亚纳海沟底部的 10 倍，水已经变成了一种叫做冰 VI 的四方晶体。大约 2 吉帕斯卡后，它变成了冰 VII，这是一种肉眼透明的更致密的立方体形式，科学家最近发现，天然钻石内部的小口袋中也存在这种形式。然后，使用激光能量学实验室的 OMEGA 激光器，Millot 及其同事瞄准了仍然位于钻石砧之间的冰 VII。当激光击中钻石表面时，它会向上蒸发材料，有效地将钻石向相反的方向推开，并通过冰层发送冲击波。 Millot 的团队发现他们的超高压冰在 4,700 摄氏度左右融化，这与超离子冰的预期差不多，并且由于带电质子的运动，它确实导电。随着对超离子冰体积特性的这些预测的确定，由 Coppari 和 Millot 领导的新研究采取了下一步来确认其结构。 “如果你真的想证明某些东西是结晶的，那么你需要 X 射线衍射，”萨尔茨曼说。他们的新实验完全跳过了冰 VI 和 VII。相反，该团队只是在钻石砧之间用激光冲击将水砸碎。十亿分之一秒后，随着冲击波荡漾开来，水开始结晶成纳米大小的冰块，科学家们又使用了 16 束激光来蒸发样品旁边的薄铁条。由此产生的热等离子体用 X 射线淹没了结晶水，然后从冰晶中衍射出来，使团队能够辨别出它们的结构。

水中的原子重新排列成人们预测已久但从未见过的结构，冰十八：一个立方晶格，每个角落和每个面的中心都有氧原子。 “这是一个相当大的突破，”科帕里说。 “这一阶段的存在不是量子分子动力学模拟的产物，而是真实存在的事实——这非常令人欣慰，”博夫说。这种模拟和真实超离子冰背后的成功交叉检查表明，材料物理研究人员的终极“梦想”可能很快就会实现。 “你告诉我你想要一种材料的什么特性，我们会去电脑上从理论上找出你需要什么材料和什么样的晶体结构，”雷蒙德让洛兹说，他是大学发现团队的成员。加利福尼亚，伯克利。 “整个社区越来越近了。”新的分析还暗示，虽然超离子冰确实可以导电，但它是一种糊状固体。它会随着时间的流逝而流动，但不会真正流失。然后，在天王星和海王星内部，流体层可能会停留在大约 8,000 公里处的行星下方，在那里开始形成巨大的缓慢的超离子冰地幔，就像米洛特的团队生产的那样。这会将大多数发电机的活动限制在较浅的深度，从而解释了行星不寻常的磁场。太阳系中的其他行星和卫星可能没有合适的内部温度和压力最佳点来允许超离子冰。但许多冰巨行星大小的系外行星可能会存在，这表明这种物质可能在整个银河系的冰冷世界中很常见。当然，虽然，没有真正的行星只含有水。我们太阳系中的冰巨星也混合了甲烷和氨等化学物质。斯坦利说，超离子行为在自然界中实际发生的程度“将取决于当我们将水与其他材料混合时这些相是否仍然存在”。到目前为止，这还不清楚，尽管其他研究人员认为超离子氨也应该存在。除了将研究扩展到其他材料外，该团队还希望继续关注超离子晶体奇怪的、几乎自相矛盾的二元性。仅仅捕捉氧原子的晶格“显然是我做过的最具挑战性的实验，”米洛说。他们还没有看到质子通过晶格的幽灵般的间隙流动。 “从技术上讲，我们还没有做到这一点，”科帕里说，“但该领域发展非常迅速。”

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