黑色的冰,納秒間的新相變,這是可以測量的嗎?
超高溫超離子冰是一種新的物質狀態(tài)
這種冰將解釋結冰世界的神秘磁場。

(圖解:如藝術繪制所示,羅徹斯特大學激光能量實驗室研究員在近期一項研究中再現了之前的裝置構造超離子冰。這種情況下的冰是不穩(wěn)定的。 圖源:勞倫斯利弗莫爾國家實驗室插圖/ Millot, Coppari, Hamel, Krauss)
科學家近期通過擠壓兩塊鉆石間的水滴并使用世界最強激光器之一將其爆破至恒星級高溫,得到了水的一種神奇的新物態(tài)。
這種被稱為超離子冰的“”奇怪的黑色“的水存在于與地球中心等壓等高溫的環(huán)境下。它的發(fā)現將很快幫助研究人員探索隱藏在其他星體中心的奧秘。

此前,研究人員利用沖擊波構造出的這種超離子冰存在20納秒后就會解體。而這項新實驗標著科學家第一次創(chuàng)造出穩(wěn)定的、存在時長足以進行詳細研究的超離子冰。研究人員于10月14日在《自然物理學》期刊上發(fā)表了這些研究成果。

(圖解:激光沖擊水分子。 圖源:勞倫斯利弗莫爾國家實驗室)
芝加哥大學地球物理學家及阿貢國家實驗室先進光子源(APS)的束線科學家維塔利·普拉卡彭卡(Vitali Prakapenka)是研究的合著者,他在一份聲明中說:“這是個驚喜——所有人原本都認為要再現這一物態(tài),除非達到遠超我們初次發(fā)現超離子冰時的壓強。”
液態(tài)水,水蒸氣和冰是水最常見的物態(tài),不過水分子也可以在其他排序下呈現出別的狀態(tài)。實際上科學家已經發(fā)現了水冰的20種狀態(tài)——由不同的溫度與壓強下氫原子和氧原子多種不同的鍵合方式產生。

(圖解:不同溫度壓強關系下的水冰狀態(tài))
例如,冰6和冰7的分子分別以矩形棱柱和立方體形式排列。據生活科學(Live Science)報道,冰11如果放置在電場中就會翻轉,冰19則很脆,且只有其氫原子有序排列。
超高溫耐高壓的超離子冰是科學家發(fā)現的第18種水冰,也是目前為止最奇特的。它的奇特之處在于其氧原子像處于固態(tài)冰中一樣鎖定,而其氫原子在放出電子成為離子——也即成為被剝奪電子而帶正電的原子核——之后則可以像在液態(tài)水中一樣在冰中流動。

(圖解:冰模型,大球代表氧原子,小球代表氫原子)
“想象一個立方體,一個中心是氧原子、周圍連接著氫原子的晶格,”普拉卡彭卡說,“當它轉變?yōu)檫@種新的超離子狀態(tài),晶格擴張,氫原子四處遷移,氧原子原地不動。這有點像一塊穩(wěn)固的氧晶格位于漂浮的氫原子海洋中?!?/p>
游動的氫原子擋住了光,使其無法按照預期方式通過冰,因此超離子冰表面呈黑色。
生活科學此前報道過,薩薩里大學化學教授皮爾弗蘭克·德蒙蒂斯(Pierfranco Demontis)帶領的研究團隊于1988年首次提出了存在超離子冰的理論概念,美國加州勞倫斯利弗莫爾實驗室(LLNL)研究員于2018年首次發(fā)現了超離子冰存在的證據。研究員使用激光器發(fā)出超高壓沖擊波爆破水滴,使其達到能讓超離子冰瞬間出現的溫度與壓強,他們甚至還在它融化之前測量了超離子冰的電導率,并在幾納秒(十億分之一秒)中短暫地看到了它的結構。

(圖解:鉆石砧創(chuàng)造超離子冰實驗裝置)
為了進行更細致的測量,普拉卡彭卡和同事們需要創(chuàng)造更穩(wěn)定的超離子冰。因此,他們用0.2克拉鉆石砧擠壓水滴,然后用激光器爆破水滴。鉆石的硬度保證鉆石砧能向水滴施加350萬個地球大氣壓,激光器則將水滴加熱至高于太陽表面的溫度。隨后,團隊用一種叫做同步加速器的電子加速器向水滴發(fā)射X射線。于是,研究人員通過測量由超離子冰內原子散射的X射線的強度與角度確定了超離子冰的結構。

(圖解:金剛石壓砧)
與沖擊波實驗法相比,這種方法延長了超離子冰可供觀察的時間,時長達到微秒(百萬分之一秒)級。額外的時間意味著研究人員可以準確地描繪水滴轉變?yōu)槌x子冰過程中的不同相變。
進一步的研究能幫助科學家更好地理解冰的特性,并繪制出自然界冰發(fā)生不同相變的條件。自由漂浮的氫離子會形成磁場,研究人員由此想到超離子冰是否存在于海王星、天王星等行星的核心,又會否困于木星那表面結冰的衛(wèi)星歐羅巴的凍海中。果真如此,這些冰就會成為探索這些星體甚至是太陽系外行星磁層的關鍵。由于磁層保護行星免受有害太陽射線及宇宙射線的影響,了解超離子冰的形成方式及位置對科學家尋找外星生命就有極大的指導意義。

(圖解:超離子冰可能存在于別的行星核心)
目前而言,超離子冰還有許多特性待研究,比如其電導率,粘度,化學穩(wěn)定性等等,都是有關預測何處還會形成這種冰的關鍵信息。
普拉卡彭卡說:“它是新的物質狀態(tài),因此它基本上就像一個新物質一樣,可能與我們想象的大不相同?!?/p>
(圖解:海王星的藍色云層中會否存在超離子冰)
BY: 本·特納(Ben Turner)
FY: 盛酒釀丸子的碗
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