溫度高達(dá)兩三千攝氏度的黑色“超離子冰”不僅存在，還可能是太陽系中含量最高的水的形態(tài)之一。 

我們熟悉的冰都是無色透明的純凈固體，但在極端溫度、壓力條件下，冰可以呈現(xiàn)出全然不同的面貌。30多年前，就有物理學(xué)家預(yù)言，水能夠以一種獨(dú)特的超離子冰晶存在。最近，在一項(xiàng)發(fā)表于《自然》的論文中，這一猜測(cè)終于得到了證實(shí)：這種溫度高達(dá)兩三千攝氏度的黑色“超離子冰”不僅存在，還可能是太陽系中含量最高的水的形態(tài)之一。

撰文 | Joshua Sokol

編譯 | 董依明

審校 | 吳非

在羅切斯特大學(xué)的激光力學(xué)能實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家用世界上最強(qiáng)大的激光之一對(duì)準(zhǔn)了一滴水。激光發(fā)射，形成的沖擊波讓水滴的壓力達(dá)到了大氣壓的數(shù)百萬倍，溫度也升高升至幾千攝氏度。X射線瞬間穿越水滴，讓人類目睹到一幅前所未見的畫面。

通過X射線，科學(xué)家了發(fā)現(xiàn)，水在這種極端條件下呈現(xiàn)出全新的形態(tài)！沖擊波里的水并沒有成為過熱液體或氣體，而是凝固、結(jié)晶成冰。研究證實(shí)了具有奇異性質(zhì)的水的新相位——“超離子冰”（superionic ice）的存在。不同于我們見過的冰，超離子冰是黑色的、溫度相當(dāng)于太陽表面溫度的一半，密度也是普通冰的4倍。

研究成果發(fā)表在近期的《自然》上，加州勞倫斯利福摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的馬里厄斯·米約（Marius Millot）與費(fèi)德麗卡·科帕里（Federica Coppari）合作領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)試驗(yàn)。

早在30多年前，就有物理學(xué)家提出超離子冰的概念。雖然直到現(xiàn)在才現(xiàn)出原形，但科學(xué)家認(rèn)為這也許是宇宙中含量最豐富的水的形態(tài)之一。至少，超離子冰可能在太陽系中廣泛存在，它們?cè)谔焱跣呛秃Ｍ跣堑膬?nèi)部含量豐富，比地球、木衛(wèi)二和土衛(wèi)二的海洋中的液態(tài)水還要多。超離子冰的發(fā)現(xiàn)揭開了存在數(shù)十年的冰巨星成分之謎。

冰的18種結(jié)構(gòu)

目前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)冰包含了18種晶體結(jié)構(gòu)。其中，我們最熟悉的、水分子按照六邊形排列的普通冰晶被命名為“冰1h”。除冰1（有兩種形式：冰1h和冰1c）以外，其余的冰晶按照2~17編號(hào)。

按照編號(hào)順序，此次發(fā)現(xiàn)的全新冰晶結(jié)構(gòu)為冰18。此前發(fā)現(xiàn)的所有水冰都是由完整的水分子構(gòu)成的，每個(gè)水分子中都由一個(gè)氧原子與兩個(gè)氫原子相連。但超離子冰并非如此，它的形態(tài)結(jié)構(gòu)游走于某種超現(xiàn)實(shí)主義的邊緣：部分是固體，部分是液體。單個(gè)水分子會(huì)分裂，氧原子形成一個(gè)立方晶格，但氫原子可以像液體一樣自由地流過氧原子的牢籠。

超離子冰的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了此前計(jì)算機(jī)的預(yù)測(cè)，能幫助材料學(xué)家創(chuàng)造出具有特定性質(zhì)的未來材料。但想要發(fā)現(xiàn)這種冰，需要極快的測(cè)量、精準(zhǔn)調(diào)控溫度和壓力等先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。“這些發(fā)現(xiàn)在5年前看還是遙不可及的，這必定將產(chǎn)生巨大的影響。”發(fā)現(xiàn)了冰13、冰14和冰15的倫敦大學(xué)學(xué)院物理學(xué)家克里斯托夫·薩爾茲曼（Christoph Salzmann）說道。

預(yù)言超離子冰

1988年，意大利物理學(xué)家皮耶爾弗蘭科·德蒙蒂斯（Pierfranco Demontis）領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究通過計(jì)算機(jī)模型，首次預(yù)測(cè)出這種奇特、近乎呈金屬態(tài)的結(jié)構(gòu)。

模擬結(jié)果顯示，在極端的壓力和溫度條件下，水分子會(huì)瓦解。氧原子被鎖定在立方晶格中，氫原子電離成為帶正電的質(zhì)子，它們從一個(gè)位置跳到另一個(gè)位置，然后繼續(xù)跳到下一個(gè)......由于速度太快，它們仿佛像液體一樣流動(dòng)。

按照這個(gè)模型，這意味著冰18能夠?qū)щ姡鴼湓觿t扮演電子的角色。疏松的氫原子排布使得冰18的熵值提高，使其穩(wěn)定性高于其他冰晶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致熔點(diǎn)急劇上升。

這一切很容易去想象，但很難令人完全信服。第一個(gè)模型使用了簡(jiǎn)化的物理方法，而后續(xù)的模擬加入了更多的量子效應(yīng)，但仍回避了描述多個(gè)量子體相互作用所需的方程。這些方程計(jì)算難度相當(dāng)大，所以他們大量依賴于近似，這使模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性大大降低。與此同時(shí)，如果不產(chǎn)生足夠的熱量來融化這種耐寒的物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)就無法產(chǎn)生必要的氣壓。

行星科學(xué)家也提出了自己的猜想：水或許有一個(gè)超離子冰的相位。就在科學(xué)家首次預(yù)言冰18時(shí)，“旅行者2號(hào)”飛船進(jìn)入外太陽系，發(fā)現(xiàn)了兩顆冰巨星——天王星和海王星磁場(chǎng)的怪異現(xiàn)象。

除了天王星和海王星外，太陽系中其他行星的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擁有明確的南極和北極。這就好像它們的中心只有條形磁鐵，與旋轉(zhuǎn)軸平行。行星科學(xué)家把這歸因于“發(fā)電機(jī)”：當(dāng)行星旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)部導(dǎo)電液體產(chǎn)生對(duì)流，形成巨大的磁場(chǎng)。

相比之下，天王星和海王星的磁場(chǎng)更為復(fù)雜。它們的磁場(chǎng)有多個(gè)極，自轉(zhuǎn)方式也都比較特別。有一種可能性是，負(fù)責(zé)這兩顆冰巨星“發(fā)電機(jī)”運(yùn)轉(zhuǎn)的導(dǎo)電流體被禁錮在它們的薄外殼，而不是向內(nèi)部進(jìn)入核心。

之前科學(xué)家一直認(rèn)為，因?yàn)楣虘B(tài)核心是無法形成“發(fā)電機(jī)”的，所以“這些行星可能存在固體內(nèi)核”的想法似乎也并不現(xiàn)實(shí)。如果你在這些冰巨星上打鉆，首先會(huì)看到一層離子水，它會(huì)流動(dòng)、會(huì)導(dǎo)電，參與發(fā)電機(jī)的工作。于是我們想當(dāng)然地認(rèn)為，下層更深的物質(zhì)，在更熱的溫度下，也肯定是液體。約翰·霍普金斯大學(xué)的薩拜因·斯坦利（Sabine Stanley） 說:“我過去常常開玩笑說，天王星和海王星的內(nèi)部實(shí)際上是不可能是固態(tài)的。但現(xiàn)在的事實(shí)證明，它們還真可能是固態(tài)的。”

發(fā)現(xiàn)證據(jù)

現(xiàn)在，科帕里、米約的研究終于將這些零碎的證據(jù)拼在了一起。

在去年2月發(fā)表的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)了冰18存在的間接證據(jù)。研究者把一滴處于室溫的水?dāng)D入兩顆切割好的鉆石的尖端之間。將壓強(qiáng)提高到10億帕斯卡（大約是馬里亞納海溝底部壓力的10倍），這時(shí)水滴變成四方晶體，也就是冰6。壓強(qiáng)提高到20億帕斯卡后，水滴又變成了一種更致密的透明立方形態(tài)——冰7，科學(xué)家最近在天然鉆石內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)了冰7。

然后，在激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室，米約和他的同事用OMEGA激光瞄準(zhǔn)了仍夾在鉆石砧之間的冰7。當(dāng)激光擊中鉆石表面時(shí)，蒸發(fā)的物質(zhì)向上移動(dòng)，將鉆石朝相反的方向推，沖擊波穿過了此時(shí)的冰。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這時(shí)冰的熔點(diǎn)在4700攝氏度左右，這與超離子冰的預(yù)期熔點(diǎn)是一樣的；而且由于帶電質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)，超壓冰確實(shí)能夠?qū)щ姟?br />
隨著對(duì)冰18性質(zhì)的預(yù)測(cè)得到證實(shí)，研究團(tuán)隊(duì)開始分析冰18的結(jié)構(gòu)。薩爾茲曼說：“如果想證明某種物質(zhì)是晶體，你需要進(jìn)行X射線衍射。”

他們的新實(shí)驗(yàn)跳過了冰6和冰7，只是用激光沖擊了鉆石之間的水滴。十億分之一秒后，隨著沖擊波穿過，水開始結(jié)晶成只有納米大小的冰立方?？茖W(xué)家們又用16束激光蒸發(fā)了樣品旁邊的薄鐵片，產(chǎn)生的熱等離子體向結(jié)晶的水中注入X射線，冰晶使X射線發(fā)生衍射，使晶體的結(jié)構(gòu)清晰可辨。


水中的原子重新排列，終于構(gòu)成了這個(gè)很久前就被預(yù)測(cè)，卻從未現(xiàn)身的晶體結(jié)構(gòu)：一個(gè)立方晶格，每個(gè)角落和每個(gè)面的中央都有氧原子。

“這個(gè)相位的存在并不是量子分子動(dòng)力學(xué)模擬的產(chǎn)物，而是真實(shí)存在的——這非常令人欣慰?！狈▏?guó)物理學(xué)家利維婭·博韋（Livia Bove）說。

新的分析還暗示了某些信息，盡管冰18確實(shí)能導(dǎo)電，但它呈糊狀的固態(tài)。它會(huì)隨時(shí)間而流動(dòng)，但不會(huì)真正翻騰。在天王星和海王星內(nèi)部，流體層可能會(huì)在8000千米深處停止流動(dòng)，在那里，冰18構(gòu)成的幔部將大多數(shù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行限制在淺層，這就導(dǎo)致了非比尋常的磁場(chǎng)。

太陽系的其他行星和衛(wèi)星內(nèi)部并不具備生成冰18所需的極端溫度和壓力。但很多系外的冰巨星可能存在冰18，這表明這種物質(zhì)可能在整個(gè)銀河系的冰世界中普遍存在。

當(dāng)然，沒有哪顆行星只由水構(gòu)成，太陽系中的冰巨星中也混合了甲烷和氨等物質(zhì)。斯坦利說，自然界中，超離子的出現(xiàn)“取決于當(dāng)我們把水和其他物質(zhì)混合時(shí)，這些相是否仍然存在?！北M管其他研究人員認(rèn)為超離子氨也應(yīng)該存在，但到目前為止這還無法確認(rèn)。

除了將研究擴(kuò)展到其他材料，研究團(tuán)隊(duì)還希望將重點(diǎn)放在超離子晶體奇怪的、幾乎是矛盾的對(duì)偶性上。捕捉氧原子的晶格“顯然是我做過的最具挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)”，米約說。他們還沒有看到質(zhì)子在晶格的間隙中如同幽靈般流動(dòng)。“從技術(shù)上講，我們還沒達(dá)到那個(gè)水平，”科帕里說，“但這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展得非?？臁！被蛟S不久后，超離子晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)將更加清晰。

原文鏈接：

https://www.quantamagazine.org/black-hot-superionic-ice-may-be-natures-most-common-form-of-water-20190508/