听说过超离子冰吗？它具有非常奇特的性质。与我们常见的冰都不同的是，超离子冰是黑色的，而且温度很高。一小立方体的超离子冰的质量，是同等大小的普通冰的4倍。
撰文 | 二宗主
1
无论是在北极还是家里的冰柜中，地球上的大部分冰都是以一种相对“普通”的形态存在。然而，在极端的温度和压力下，水会被挤压成各种奇妙的样子。30多年前，物理学家预测过一种奇特的冰晶结构：在极大的压力之下，水会被挤压成一种具有高导电性的超离子形式。但直到最近，劳伦斯利物莫国家实验室（LLNL）的物理学家才真正发现了这种冰晶结构。目前为止，科学家总共已发现18种不同的水的冰晶结构。
在新的实验中，研究人员将强大的激光器瞄向水，在此过程中所产生的激波能把水的压力提高到数百万个大气压，温度提高到接近太阳表面温度的一半。奇妙的是，这样的过程并没有让水变成过热的液体或蒸汽，而是让水冻结成了固体，结晶成冰。
高功率激光聚焦在金刚石表面产生了一系列激波，激波穿过水层，同时对水进行压缩和加热，迫使它冻结成超离子冰。（艺术构想图）| 图片来源：Millot、Coppari、Hamel、Krauss/LLNL
这种最新的冰的形式被称为超离子冰，它具有非常奇特的性质。与我们常见的冰都不同的是，超离子冰是黑色的，而且温度很高。一小立方体的超离子冰的质量，是同等大小的普通冰的4倍。
虽然它很难自然地出现在地球上，但科学家认为它是宇宙中最丰富的水的形态。至少在整个太阳系中，以超离子冰形式存在的水可能比其他任何态的水都要多。科学家认为，在天王星和海王星的内部就充满了这种超离子冰，它们在这些行星上扮演着类似地球地幔的角色。在最近的《自然》期刊上，物理学家们详细报告了这一新的发现。
2
从微观的层面上看，之前的所有水的冰晶结构都是由完整的水分子构成的，每个水分子都有一个氧原子和两个氢原子。但超离子冰却不一样，它像是一只“两面兽”，一部分是固体，一部分是液体：它的单个水分子会分裂，其中氧原子形成立方晶格，凝结成固体晶体；氢原子则自由地穿梭在晶格之中，像液体一样四处流动。有科学家认为，这已经不能算是水的一种新的相了，而是一种新的奇特的物质状态。
1988年，物理学家Pierfranco Demontis就曾通过建模来模拟这种奇特的像金属一样的冰晶结构。他模拟了水在极端的压力和高温环境下的情况，在模拟中，水中的氧原子被锁在一个立方晶格中，带电的氢原子则可以自由移动。四处游走的氢赋予了这些冰很强的导电性，并且也增加了冰的熵，而熵的增加也反过来使得这一冰晶结构比其他的冰更加稳定，熔点更高。
但在当时，这一切都只停留于想象的层面，科学家很难真正相信它们的存在。而且Demontis所建立的第一个模拟其实是一个作出过许多物理简化的版本。在后来的一些模拟中，科学家开始将量子效应纳入考量，但要从实验上来实现这一景象仍是天方夜谭。
到了去年，物理学家Marius Millot和Federica Coppari等人似乎找到了这种超离子冰存在的第一丝迹象。他们对液态的水进行压缩，使得液态水在十亿分之一秒内变成了固态冰。经过测量发现，这种“水冰”的导电性在短时间内比之前增强了数百倍，这意味着水冰已经变成了“超离子”态。
在最新的测试中，研究人员使用6束巨大的激光束来产生一系列的激波，这一次，他们创造了数百万倍于地球表面的压力和数千摄氏度的温度，将一层薄薄的液态水压缩成了凝固的冰。他们精确地记录了X射线闪光触碰到这种结构的时长，在十亿分之一秒后，水开始结晶成纳米大小的冰块。然后，他们再用16束激光去让放置于水样本一旁的铁箔片蒸发，由此产生的热等离子体会向已结晶的水中注入X射线。
X射线衍射实验照片。巨型激光器聚焦在水样上，将水样压缩成超离子相。额外的激光束从一块铁箔片上产生出X射线，使研究人员能够对压缩的水层进行快速成像。| 图片来源：Millot, Coppari, Kowaluk/LLNL
随后，从冰晶中衍射出来的X射线，足以使研究人员辨别出它们的结构。他们看到氧原子被紧紧地塞进了面心立方晶格（FCC）中，也就是立方体中的每个顶点以及每个面的中心都有一个原子。这是科学家们首次观察到水可以具有这样的冰晶结构，它表明水的这种超离子相并不仅仅存在于模拟之中，而是真实存在的。
3
行星科学家们也曾怀疑过水可能存在超离子冰相。就在超离子冰的概念被刚刚提出前后，进入了外太阳系的旅行者2号探测器就发现了天王星和海王星的磁场有一些奇怪。这类巨大的行星通常被称为冰巨星，大约有65%是水，还有一些氨和甲烷。
天王星与海王星。| 图片来源：Wikipedia
对于地球、木星和土星等行星而言，磁场分为南北两极，清晰明了，就好像在这些行星的中心有一个方向与自转轴一致的条形磁铁一样。行星科学家将这归因于当行星旋转时，行星内部的导电流体上升并盘旋，从而产生了巨大的磁场。
相比之下，天王星和海王星的磁场看起来很不平整、很复杂。海王星的磁场就像是由一个方向已经发生偏移的条形磁铁所产生的，这个磁铁的两极会从赤道处伸出来；天王星的磁场更是古怪，它像是由一条被上下颠倒的条形磁铁所形成的，磁场的方向和行星的自转似乎也没有多大的关系。这两个冰巨星的磁场都可能不太稳定。
新的研究结果为天王星和海王星提供了一些信息。实验结果表明，天王星和海王星应该有一个超离子冰层，它类似于地球的地幔。这或许能解释这些星球为何会具有如此不同寻常的磁场。Millot提出，在天王星和海王星的超离子冰层的顶部边缘可能存在一层液体，而且这层液体也是一种具有高导电性的水相。这些行星的磁场可能就起源于此，比其他行星的磁场离行星表面更近，这或许能解释它们的不稳定性。
4
新的发现将极大地改变我们对于冰巨星等行星内部结构的理解，并且随着天文学家已经发现更多像海王星和天王星这样的系外行星，因此这一发现或许在宇宙中的遥远部分也同样适用。
除此之外，对超离子冰的成功发现也表明，一些从事材料物理学研究的科学家的终极“梦想”可能很快就会实现：他们只要设想出想要的材料性质，然后用电脑从理论上弄清楚这样的材料将会有怎样的晶体结构。这对于材料学来说，将会是一个重大的飞越。
参考链接
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1114-6#MOESM1
[2] https://www.nationalgeographic.com/science/2019/05/bizarre-hot-ice-xviii-seen-on-earth-superionic-uranus-neptune/
[3] https://www.quantamagazine.org/black-hot-superionic-ice-may-be-natures-most-common-form-of-water-20190508/
[4] https://www.sciencealert.com/exotic-form-of-water-ice-is-half-as-hot-as-the-sun-and-it-s-just-been-created-here-on-earth
本文经授权转载自微信公众号“原理”。
《返朴》，致力好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁联袂担任总编，与几十位学者组成的编委会一起，与你共同求索。关注《返朴》参与更多讨论。二次转载或合作请联系fanpu2019@outlook.com。
