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4700摄氏度才会化的冰,可能是水在太阳系最常见形态

时间:2019-06-04

来源:科研圈

我们熟悉的冰都是无色透明的纯净固体,但在极端温度、压力条件下,冰可以呈现出全然不同的面貌。30 多年前,就有物理学家预言,水能够以一种独特的超离子冰晶存在。最近,在一项发表于《自然》的论文中,这一猜测终于得到了证实:这种熔点高达 4700 摄氏度的黑色“超离子冰”不仅存在,还可能是太阳系中含量最高的水的形态之一。

图片来源:@iammoteh

图片来源:@iammoteh

在罗切斯特大学的激光力学能实验室,科学家用世界上最强大的激光之一对准了一滴水。激光发射,形成的冲击波让水滴的压力达到了大气压的数百万倍,温度也升高升至几千摄氏度。X 射线瞬间穿越水滴,让人类目睹到一幅前所未见的画面。

通过X射线,科学家了发现,水在这种极端条件下呈现出全新的形态!冲击波里的水并没有成为过热液体或气体,而是凝固、结晶成冰。研究证实了具有奇异性质的水的新相位——“超离子冰”(superionic ice)的存在。不同于我们见过的冰,超离子冰是黑色的,温度相当于太阳表面温度的一半,密度也是普通冰的 4 倍。

研究成果发表在近期的《自然》上,加州劳伦斯利福摩尔国家实验室的马里厄斯·米约(Marius Millot)与费德丽卡·科帕里(Federica Coppari)合作领导了这项试验。

早在 30 多年前,就有物理学家提出超离子冰的概念。虽然直到现在才现出原形,但科学家认为这也许是宇宙中含量最丰富的水的形态之一。至少,超离子冰可能在太阳系中广泛存在,它们在天王星和海王星的内部含量丰富,比地球、木卫二和土卫二的海洋中的液态水还要多。超离子冰的发现揭开了存在数十年的冰巨星成分之谜。

冰的 18 种结构

目前,科学家发现冰包含了 18 种晶体结构。其中,我们最熟悉的、水分子按照六边形排列的普通冰晶被命名为“冰 1h”。除冰 1(有两种形式:冰 1h 和冰 1c)以外,其余的冰晶按照 2~17 编号。

按照编号顺序,此次发现的全新冰晶结构为冰 18。此前发现的所有水冰都是由完整的水分子构成的,每个水分子中都由一个氧原子与两个氢原子相连。但超离子冰并非如此,它的形态结构游走于某种超现实主义的边缘:部分是固体,部分是液体。单个水分子会分裂,氧原子形成一个立方晶格,但氢原子可以像液体一样自由地流过氧原子的牢笼。

超离子冰的发现证实了此前计算机的预测,能帮助材料学家创造出具有特定性质的未来材料。但想要发现这种冰,需要极快的测量、精准调控温度和压力等先进的实验技术。“这些发现在 5 年前看还是遥不可及的,这必定将产生巨大的影响。”发现了冰 13、冰 14 和冰 15 的伦敦大学学院物理学家克里斯托夫·萨尔兹曼(Christoph Salzmann)说道。

预言超离子冰

1988 年,意大利物理学家皮耶尔弗兰科·德蒙蒂斯(Pierfranco Demontis)领导的一项研究通过计算机模型,首次预测出这种奇特、近乎呈金属态的结构。

模拟结果显示,在极端的压力和温度条件下,水分子会瓦解。氧原子被锁定在立方晶格中,氢原子电离成为带正电的质子,它们从一个位置跳到另一个位置,然后继续跳到下一个。。。。。。由于速度太快,它们仿佛像液体一样流动。

按照这个模型,这意味着冰 18 能够导电,而氢原子则扮演电子的角色。疏松的氢原子排布使得冰 18 的熵值提高,使其稳定性高于其他冰晶结构,进而导致熔点急剧上升。

这一切很容易去想象,但很难令人完全信服。第一个模型使用了简化的物理方法,而后续的模拟加入了更多的量子效应,但仍回避了描述多个量子体相互作用所需的方程。这些方程计算难度相当大,所以他们大量依赖于近似,这使模拟结果的准确性大大降低。与此同时,如果不产生足够的热量来融化这种耐寒的物质,实验就无法产生必要的气压。

行星科学家也提出了自己的猜想:水或许有一个超离子冰的相位。就在科学家首次预言冰 18 时,“旅行者 2 号”飞船进入外太阳系,发现了两颗冰巨星——天王星和海王星磁场的怪异现象。

天王星与海王星的磁场(图片来源:科罗拉多大学)

天王星与海王星的磁场(图片来源:科罗拉多大学)

除了天王星和海王星外,太阳系中其他行星的磁场结构简单、拥有明确的南极和北极。这就好像它们的中心只有条形磁铁,与旋转轴平行。行星科学家把这归因于“发电机”:当行星旋转时,内部导电液体产生对流,形成巨大的磁场。

相比之下,天王星和海王星的磁场更为复杂。它们的磁场有多个极,自转方式也都比较特别。有一种可能性是,负责这两颗冰巨星“发电机”运转的导电流体被禁锢在它们的薄外壳,而不是向内部进入核心。

之前科学家一直认为,因为固态核心是无法形成“发电机”的,所以“这些行星可能存在固体内核”的想法似乎也并不现实。如果你在这些冰巨星上打钻,首先会看到一层离子水,它会流动、会导电,参与发电机的工作。于是我们想当然地认为,下层更深的物质,在更热的温度下,也肯定是液体。约翰·霍普金斯大学的萨拜因·斯坦利(SabineStanley)说:“我过去常常开玩笑说,天王星和海王星的内部实际上是不可能是固态的。但现在的事实证明,它们还真可能是固态的。”

发现证据

现在,科帕里、米约的研究终于将这些零碎的证据拼在了一起。

在去年 2 月发表的一项实验中,他们发现了冰 18 存在的间接证据。研究者把一滴处于室温的水挤入两颗切割好的钻石的尖端之间。将压强提高到 10 亿帕斯卡(大约是马里亚纳海沟底部压力的 10 倍),这时水滴变成四方晶体,也就是冰 6。压强提高到 20 亿帕斯卡后,水滴又变成了一种更致密的透明立方形态——冰 7,科学家最近在天然钻石内部也发现了冰 7。

然后,在激光能量学实验室,米约和他的同事用 OMEGA 激光瞄准了仍夹在钻石砧之间的冰 7。当激光击中钻石表面时,蒸发的物质向上移动,将钻石朝相反的方向推,冲击波穿过了此时的冰。研究团队发现,这时冰的熔点在 4700 摄氏度左右,这与超离子冰的预期熔点是一样的;而且由于带电质子的运动,超压冰确实能够导电。

随着对冰 18 性质的预测得到证实,研究团队开始分析冰 18 的结构。萨尔兹曼说:“如果想证明某种物质是晶体,你需要进行X射线衍射。”

他们的新实验跳过了冰 6 和冰 7,只是用激光冲击了钻石之间的水滴。十亿分之一秒后,随着冲击波穿过,水开始结晶成只有纳米大小的冰立方。科学家们又用 16 束激光蒸发了样品旁边的薄铁片,产生的热等离子体向结晶的水中注入 X 射线,冰晶使 X 射线发生衍射,使晶体的结构清晰可辨。

X 射线衍射实验照片。(图片来源:Millot, Coppari, Kowaluk)

X 射线衍射实验照片。(图片来源:Millot, Coppari, Kowaluk)

水中的原子重新排列,终于构成了这个很久前就被预测,却从未现身的晶体结构:一个立方晶格,每个角落和每个面的中央都有氧原子。

“这个相位的存在并不是量子分子动力学模拟的产物,而是真实存在的——这非常令人欣慰。”法国物理学家利维娅·博韦(Livia Bove)说。

新的分析还暗示了某些信息,尽管冰 18 确实能导电,但它呈糊状的固态。它会随时间而流动,但不会真正翻腾。在天王星和海王星内部,流体层可能会在 8000 千米深处停止流动,在那里,冰 18 构成的幔部将大多数发电机的运行限制在浅层,这就导致了非比寻常的磁场。

太阳系的其他行星和卫星内部并不具备生成冰 18 所需的极端温度和压力。但很多系外的冰巨星可能存在冰 18,这表明这种物质可能在整个银河系的冰世界中普遍存在。

当然,没有哪颗行星只由水构成,太阳系中的冰巨星中也混合了甲烷和氨等物质。斯坦利说,自然界中,超离子的出现“取决于当我们把水和其他物质混合时,这些相是否仍然存在。”尽管其他研究人员认为超离子氨也应该存在,但到目前为止这还无法确认。

除了将研究扩展到其他材料,研究团队还希望将重点放在超离子晶体奇怪的、几乎是矛盾的对偶性上。捕捉氧原子的晶格“显然是我做过的最具挑战性的实验”,米约说。他们还没有看到质子在晶格的间隙中如同幽灵般流动。“从技术上讲,我们还没达到那个水平,”科帕里说,“但这个领域发展得非常快。”或许不久后,超离子晶体的结构与性质将更加清晰。

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