全新水狀態(tài)“超離子導(dǎo)體冰”被發(fā)現(xiàn)，到底什么是超離子冰？

大自然中，我們經(jīng)常可以看到水凝結(jié)成冰。

在地球的普通環(huán)境中，水形成的冰被稱為“冰Ⅰ”，我們經(jīng)常把這類冰放到冷飲中降溫，其分子形狀是我們熟悉的六邊形，也就是雪花的形狀。

當(dāng)大氣壓增加10000倍時(shí)，在壓力的作用下，水會(huì)凝結(jié)成“冰Ⅵ”，其分子形狀變成棱柱形;繼續(xù)增加壓力，可以形成“冰Ⅶ”，其分子形狀會(huì)變成立方體。

如果繼續(xù)增加壓力呢?天文學(xué)家認(rèn)為在部分行星的中心，可能存在黑色的“超離子冰”，也就是“冰XⅥ”。

超離子冰是突破了形態(tài)限制的冰，液態(tài)水和固態(tài)冰對(duì)于超離子冰來說沒有任何意義。

在超強(qiáng)的壓力作用下，超離子冰中的氧原子按照一定的順序排列，和普通的固態(tài)冰相同，但是氫原子卻失去了電子，成為帶電的離子，可以在固態(tài)冰中自由穿梭，就像在液態(tài)水中一樣。

超離子冰的密度是普通冰的4倍，在極端的壓力狀態(tài)下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似晶體，呈現(xiàn)出黑色的外觀，并且由于氫原子失去電子并且可以自由移動(dòng)，超離子冰具有導(dǎo)電能力。

超離子冰的猜想，起源于天王星和海王星的磁場(chǎng)不平衡。

天文學(xué)家認(rèn)為在天王星和海王星的行星內(nèi)部，巨大的壓力作用可能會(huì)形成超離子冰，這些超離子冰在星球內(nèi)部導(dǎo)電，從而導(dǎo)致行星的磁場(chǎng)出現(xiàn)偏移。

科學(xué)家也在實(shí)驗(yàn)室中，利用高壓噴射，完成了超離子冰的創(chuàng)造，但目前超離子冰的存在時(shí)間只有幾納秒，并沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行研究?？茖W(xué)家正在尋找更加靜態(tài)的方式創(chuàng)造超離子冰，從而提供良好的研究環(huán)境。

地球磁場(chǎng)是一個(gè)相對(duì)平衡的磁場(chǎng)，并且磁極距離地球兩極的距離并不遙遠(yuǎn)，但是天王星和海王星的磁極非常傾斜，并且磁極之間也不是一條直線，如此怪異的磁場(chǎng)，讓科學(xué)家懷疑兩個(gè)行星的內(nèi)部存在特殊的導(dǎo)電層。

超離子冰層的導(dǎo)電性，可以解釋兩顆星球的磁場(chǎng)異常，而且根據(jù)科學(xué)家對(duì)天王星和海王星的觀測(cè)，兩顆行星的內(nèi)部，確實(shí)存在形成超離子冰的條件。兩顆行星很有可能存在巨大的超離子冰層，其規(guī)模足以改變整顆星球的磁場(chǎng)。

我們都相信，正如我們?cè)趯W(xué)校被教導(dǎo)的那樣，物質(zhì)的聚集狀態(tài)只有 3 種狀態(tài)，即固體、液體和氣態(tài)，典型的例子是水，它基于一定的溫度和壓力，可以提供自身，例如冰、液態(tài)水和蒸汽。

然而，這種描述顯然是還原性的，到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約 20 種不同的水分子聚集相，每一種都有不同的晶格，它們之間的物理和化學(xué)性質(zhì)指數(shù)也不同，只是以狀態(tài) VI 和 VII 為例，我將氫原子和氧原子放置在它們之間以形成立方體和棱柱，但沒有低估其他狀態(tài)也會(huì)改變與物質(zhì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互作用。

由該研究的合著者、芝加哥大學(xué)地球物理學(xué)家 Vitali Prakapenka 領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家成功地穩(wěn)定了一種新形式的水，即超離子冰，該理論于 1988 年首次由該大學(xué)研究員 Pierfranco Demontis 化學(xué)教授提出2018 年，加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員對(duì)其進(jìn)行了短暫的觀察。

這是水的第十八相，直到現(xiàn)在還沒有人設(shè)法將其穩(wěn)定超過 20 納秒，這一壯舉對(duì)研究人員團(tuán)隊(duì)來說是成功的，他們能夠記錄這一新相的晶體結(jié)構(gòu)，觀察如何，如果一方面氧原子被阻止形成標(biāo)準(zhǔn)冰中的固體結(jié)構(gòu)，氫原子則保持超流體狀態(tài)，事實(shí)上，在放棄電子后，它們變成帶正電的粒子，可以像它們一樣自由流動(dòng)在流體中。

然而，需要更準(zhǔn)確的測(cè)量，因此該團(tuán)隊(duì)使用金剛石砧對(duì)水加壓，使其壓力達(dá)到地球壓力的約 350 萬倍，此時(shí)激光束將其加熱到高于地球上的溫度。太陽表面 導(dǎo)致它爆炸，此時(shí)稱為同步加速器的 X 射線發(fā)射器用輻射轟擊液滴，其衍射研究允許推導(dǎo)出其結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家在兩顆鉆石之間壓縮了一個(gè)水滴，并使用世界上最強(qiáng)大的激光器將其轟擊至類似恒星的溫度，結(jié)果形成了一種神秘的水狀態(tài)。目前科學(xué)家將其稱為“超離子導(dǎo)體冰”，這種怪異黑色水結(jié)構(gòu)存在于地球中心的壓力和溫度條件下，該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將幫助研究人員調(diào)查分析隱藏在其他星球內(nèi)核的秘密。

此前研究人員使用沖擊波創(chuàng)造了這種怪異的冰結(jié)構(gòu)，但僅20納秒就融化了，這項(xiàng)最新實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著科學(xué)家首次創(chuàng)造出持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)的穩(wěn)定超音速冰，10月14日《自然物理學(xué)》雜志發(fā)表了該項(xiàng)研究報(bào)告。美國(guó)芝加哥大學(xué)地球物理學(xué)家比塔利·普拉卡蓬說：“這是一個(gè)驚喜，每個(gè)人都認(rèn)為該狀態(tài)水物質(zhì)很難復(fù)制，必須在更高的壓力條件下才能形成。”液體、蒸汽和冰是水最常見的狀態(tài)，但水分子也可以形成代表不同結(jié)構(gòu)的其他排列，事實(shí)上，科學(xué)家已確定了水冰的20個(gè)狀態(tài)——在不同溫度和壓力下，氫原子和氧原子會(huì)以不同方式結(jié)合在一起。

最新發(fā)現(xiàn)的“超離子導(dǎo)體冰”是冰的第18個(gè)狀態(tài)，也是迄今為止發(fā)現(xiàn)最特殊的冰結(jié)構(gòu)之一，因?yàn)槠溲踉釉谒枪腆w時(shí)被鎖定，但其氫原子脫離電子后成為離子，原子核因此剝奪了它們的電子，因此帶有正電，可以像液體一樣自由穿過冰。

普拉卡蓬說：“人們可以想象一個(gè)立方體，氧原子是立方體的固體點(diǎn)位，彼此由氫原子連接，最終形成一個(gè)立方體晶格，當(dāng)它轉(zhuǎn)變成超離子狀態(tài)時(shí)，晶格會(huì)膨脹，允許氫原子四處移動(dòng)，而氧原子則保持穩(wěn)定位置，這有點(diǎn)像漂浮在氫原子海洋中的固體氧晶格。這些游動(dòng)的氫原子以一種可預(yù)測(cè)的方式阻止光線穿過冰層，從而使冰層呈現(xiàn)黑色。”

水是維持生命不可或缺的資源，而它能展現(xiàn)的形式與面貌也比我們想象中還多，比如可能存在于天王星、海王星等冰巨星深處的黑色超離子冰。最近，科學(xué)家成功利用先進(jìn)光子源實(shí)驗(yàn)重建了這些巨星上的冰結(jié)構(gòu)，試圖厘清它們?nèi)绾蝺鼋Y(jié)成超離子狀態(tài)。

大家都知道水能以固態(tài)、液體或氣態(tài)形式表現(xiàn)，然而根據(jù)環(huán)境溫度與壓力條件不同，固態(tài)冰實(shí)際上能形成高達(dá)19種不同結(jié)構(gòu)(分子堆棧形狀)，其中一種極端形態(tài)為超離子冰(superionic ice)，它就像液體和固體合二為一。

雖然模型已經(jīng)預(yù)測(cè)了超離子冰相出現(xiàn)的條件，但若要指出精確溫度又有點(diǎn)含糊不清，只能靠實(shí)驗(yàn)幫助確定液態(tài)與超離子狀態(tài)的變化路徑，然而不同實(shí)驗(yàn)方法的觀察結(jié)果又存在巨大差異，因此想獲得可信度高的結(jié)論始終是個(gè)挑戰(zhàn)。

通常，水必須承受至少50GPa壓力(當(dāng)?shù)厍虼髿鈱酉鲁惺艿牧χ?0萬倍)并以高功率激光加熱，才能看到接近超離子冰的存在，因此，當(dāng)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光子源(Advanced Photon Source，APS)同步加速器展開實(shí)驗(yàn)、以相對(duì)溫和的20GPa擠壓并加熱夾在兩片鉆石中間的水分子時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)并沒有抱多大期望。

結(jié)果驚喜就出現(xiàn)在研究人員眼前了。

根據(jù)X射線從樣品上散射的方式，研究人員可以拼湊出內(nèi)部原子的排列，而這場(chǎng)實(shí)驗(yàn)讓團(tuán)隊(duì)精確搭建出超離子冰的結(jié)構(gòu)與特性。

從理論來講，其內(nèi)部水分子排列為氧原子被周圍不安定的氫原子包圍著，想象有個(gè)立方體轉(zhuǎn)變?yōu)槌x子相時(shí)，晶格會(huì)膨脹使氫原子四處遷移，而氧原子則穩(wěn)定保持在中間位置，就像漂浮在氫原子海洋中的固態(tài)氧晶格。

事實(shí)也證明，超離子冰出現(xiàn)條件比模型預(yù)估的還要溫和，由于這些冰能影響一顆行星的磁場(chǎng)，厘清超離子冰的確切特性將有助于在其他行星尋找生命。

對(duì)科學(xué)家來說，超離子冰還有大量研究尚須鉆研，包括它們的電導(dǎo)率、黏度、化學(xué)穩(wěn)定性、與鹽或其他礦物質(zhì)混合時(shí)會(huì)發(fā)生的變化等。新論文發(fā)布在《自然物理學(xué)》(Nature Physics)期刊。