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。

文章作者:管理一号 | 2019-06-04
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咱们了解的冰都是无色通明的纯洁固体,但在极点温度、压力条件下,冰可以呈现出全然不同的相貌。30 多年前,就有物理学家预言,水可以以一种共同的超离子冰晶存在。最近,在一项宣布于《天然》的论文中,这一猜测总算得到了证明:这种熔点高达 4700 摄氏度的黑色“超离子冰”不只存在,还或许是太阳系中含量最高的水的形状之一。

图片来历:@iammoteh

在罗切斯特大学的激光力学能试验室,科学家用国际上最强壮的激光之一对准了一滴水。激光发射,构成的冲击波让水滴的压力到达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,让人类目击到一幅前所未见的画面。

经过X射线,科学家了发现,水在这种极点条件下呈现出全新的形状!冲击波里的水并没有成为过热液体或气体,而是凝结、结晶成冰。研讨证明了具有独特性质的水的新相位——“超离子冰”(superionic ice)的存在。不同于咱们见过的冰,超离子冰是黑色的,温度相当于太阳外表温度的一半,密度也是一般冰的 4 倍。

研讨成果宣布在近期的《天然》上,加州劳伦斯利福摩尔国家试验室的马里厄斯·米约(Marius Millot)与费德丽卡·科帕里(Federica Coppari)协作领导了这项试验。

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,但科学家以为这也许是国际中含量最丰厚的水的形状之一。至少,超离子冰或许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厚,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

现在,科学家发现冰包含了 18 种晶体结构。其间,咱们最了解的、水分子依照六边形摆放的一般冰晶被命名为“冰 1h”。除冰 1(有两种方法:冰 1h 和冰 1c)以外,其他的冰晶依照 2~17 编号。

依照编号次序,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好的水分子构成的,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,它的形状结构游走于某种超实际主义的边际:部分是固体,部分是液体。单个水分子会割裂,氧原子构成一个立方晶格,但氢原子可以像液体相同自由地流过氧原子的牢笼。

超离子冰的发现证明了此前核算机的猜测,能协助资料学家创造出具有特定性质的未来资料。但想要发现这种冰,需求极快的丈量、精准调控温度和压力等先进的试验技能。“这些发现在 5 年前看仍是遥不行及的,这必定将发作巨大的影响。”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)领导的一项研讨经过核算机模型,初次猜测出这种独特、近乎呈金属态的结构。

模仿成果显现,在极点的压力和温度条件下,水分子会分裂。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,它们从一个方位跳到另一个方位,然后持续跳到下一个。。。。。。因为速度太快,它们仿佛像液体相同活动。

依照这个模型,这意味着冰 18 可以导电,而氢原子则扮演电子的人物。疏松的氢原子排布使得冰 18 的熵值进步,使其稳定性高于其他冰晶结构,从而导致熔点急剧上升。

这一切很简略去幻想,但很难令人彻底服气。第一个模型使用了简化的物理办法,而后续的模仿加入了更多的量子效应,但仍回避了描绘多个量子体相互作用所需的方程。这些方程核算难度相当大,所以他们许多依赖于近似,这使模仿成果的准确性大大下降。与此同时,假如不发作满足的热量来消融这种耐寒的物质,试验就无法发作必要的气压。

行星科学家也提出了自己的猜测:水或许有一个超离子冰的相位。就在科学家初次预言冰 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古怪现象。

天王星与海王星的磁场(图片来历: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略、具有明晰的南极和北极。这就好像它们的中心只要条形磁铁,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,内部导电液体发作对流,构成巨大的磁场。

相比之下,天王星和海王星的磁场更为杂乱。它们的磁场有多个极,自转方法也都比较特别。有一种或许性是,担任这两颗冰巨星“发电机”作业的导电流体被禁闭在它们的薄外壳,而不是向内部进入中心。

之前科学家一向以为,因为固态中心是无法构成“发电机”的,所以“这些行星或许存在固体内核”的主意好像也并不实际。假如你在这些冰巨星上打钻,首要会看到一层离子水,它会活动、会导电,参加发电机的作业。所以咱们想当然地以为,基层更深的物质,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(Sabine Stanley) 说:“我曩昔常常恶作剧说,天王星和海王星的内部实际上是不行能是固态的。但现在的事实证明,它们还真或许是固态的。”

发现依据

现在,科帕里、米约的研讨总算将这些琐细的依据拼在了一同。

在上一年 2 月宣布的一项试验中,他们发现了冰 18 存在的直接依据。研讨者把一滴处于室温的水挤入两颗切割好的钻石的顶级之间。将压强进步到 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,也便是冰 6。压强进步到 20 亿帕斯卡后,水滴又变成了一种更细密的通明立方形状——冰 7,科学家最近在天然钻石内部也发现了冰 7。

 

然后,在激光能量学试验室,米约和他的搭档用 OMEGA 激光瞄准了仍夹在钻石砧之间的冰 7。当激光击中钻石外表时,蒸腾的物质向上移动,将钻石朝相反的方向推,冲击波穿过了此刻的冰。研讨团队发现,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相同的;并且因为带电质子的运动,超压冰的确可以导电。

跟着对冰 18 性质的猜测得到证明,研讨团队开端剖析冰 18 的结构。萨尔兹曼说:“假如想证明某种物质是晶体,你需求进行X射线衍射。”

他们的新试验跳过了冰 6 和冰 7,仅仅用激光冲击了钻石之间的水滴。十亿分之一秒后,跟着冲击波穿过,水开端结晶成只要纳米巨细的冰立方。科学家们又用 16 束激光蒸腾了样品周围的薄铁片,发作的热等离子体向结晶的水中注入 X 射线,冰晶使 X 射线发作衍射,使晶体的结构明晰可辨。

X 射线衍射试验相片。(图片来历:Millot, Coppari, Kowaluk)

水中的原子重新摆放,总算构成了这个好久前就被猜测,却从未现身的晶体结构:一个立方晶格,每个旮旯和每个面的中心都有氧原子。

“这个相位的存在并不是量子分子动力学模仿的产品,而是实在存在的——这十分令人欣慰。”法国物理学家利维娅·博韦(Livia Bove)说。

新的剖析还暗示了某些信息,虽然冰 18 的确能导电,但它呈糊状的固态。它会随时刻而活动,但不会真实翻腾。在天王星和海王星内部,流体层或许会在 8000 千米深处中止活动,在那里,冰 18 构成的幔部将大多数发电机的运转约束在浅层,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有生成冰 18 所需的极点温度和压力。但许多系外的冰巨星或许存在冰 18,这表明这种物质或许在整个银河系的冰国际中普遍存在。

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,天然界中,超离子的呈现“取决于当咱们把水和其他物质混合时,这些相是否依然存在。”虽然其他研讨人员以为超离子氨也应该存在,但到现在为止这还无法承认。

除了将研讨扩展到其他资料,研讨团队还期望将要点放在超离子晶体古怪的、几乎是对立的对偶性上。捕捉氧原子的晶格“显然是我做过的最具挑战性的试验”,米约说。他们还没有看到质子在晶格的空隙中好像鬼魂般活动。“从技能上讲,咱们还没到达那个水平,”科帕里说,“但这个范畴开展得十分快。”或许不久后,超离子晶体的结构与性质将愈加明晰。

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