宇宙中最常见的水形态竟然可能是黑色炽热的冰！

学术 2024-11-28 10:02 北京

“超离子冰”是水的一种特殊形态，其存在已经被最近的一项实验证实。超离子冰有可能是宇宙中多数冰巨行星的组分。

超离子冰的发现有望解开天王星和海王星等冰巨行星之谜。人们通常认为，这些行星拥有由多种化学物质混合而成的气态外壳，外壳下面是液态的离子水层，再向内是由超离子冰构成的固态层，最中心则是岩核。

最近，在纽约布莱顿的激光能量实验室中，科学家们利用一台世界上功率最强的激光器轰击水滴，产生的冲击波使水的压力飙升至数百万个大气压，温度提升至数千度。X射线穿透水滴的刹那间，人类首次看到了极端条件下水的形态。

实验结果显示，冲击波内的水并没有变成过热的液体或气体。这与经验不符，正如隔壁实验室里那些一直盯着屏幕看的物理学家所预期的那样——水分子凝结成了固体，形成了结晶冰。

“你会听到听到激光发射的声音，随后就能看到有趣的实验现象，”加利福尼亚州劳伦斯利物莫国家实验室（LLNL）的马里乌斯·米洛特（Marius Millot）说道。米洛特与同实验室的费德里卡·科帕里（Federica Coppari）共同指导了这项实验。

如今，《自然》期刊上发表的研究成果证实了“超离子冰”的存在，这是一种性质奇特的水的新形态。与我们熟悉的冰箱里的冰或北极的冰不同，超离子冰是黑色的且温度炽热。同样大小的超离子冰的重量是正常冰块的四倍。早在30多年前，就有理论预测了超离子冰的存在，虽然直到现在才观测到超离子冰，但科学家们认为它可能是宇宙中存量最多的水形态。

“这确实是一种全新的物质状态，相当令人惊奇。”利维亚·博维（Livia Bove）说道。

至少在太阳系中，超离子冰形态的水可能比任何其他形态的水都更为普遍，比地球上的海水、木卫二和土卫二上翻涌的液态水存量更多。天王星和海王星的内部结构可能主要由超离子冰构成。超离子冰的发现或能解开这些困扰了人们数十年之久的冰巨行星的构成之谜。

除了普通冰中水分子呈六边形排列的I_h相冰（六方冰）外，科学家们已经发现了18种冰晶结构，其丰富程度令人眼花缭乱。继两种形式的冰I（I_h和I_c）之I后，其余的冰晶结构按照发现顺序，被命名为冰II至冰XVII。（是的，冰IX的确存在，但仅存在于人造条件下，与库尔特·冯内古特（Kurt Vonnegut）的小说《猫的摇篮》中虚构的末日物质不同。）

现在，超离子冰被记为冰XVIII。这是一种新的晶体，但却有点不同。所有先前已知的，由水凝结成的冰，都是由完整的水分子组成的，每个水分子都由一个氧原子与两个氢原子相连。但新的测验结果表明，超离子冰并非如此。它处于一种超现实的中间态——部分为固态，部分为液态。超离子冰中的单个水分子会分解：氧原子形成立方晶格，但氢原子却像液体一样在坚固的氧原子立方晶格形成的笼中自由流动。

图为罗切斯特大学激光能量实验室X射线衍射实验的长曝光摄影照片。巨型激光器聚焦在水样上，将其压缩成超离子相。其余激光束在铁箔上产生X射线闪光，使研究人员能够拍摄到压缩水层的快照。图源：米洛特、科帕里、科瓦卢克（Kowaluk）（劳伦斯利物莫国家实验室）

专家表示，超离子冰的发现证实了计算机的预测结果，有助于材料物理学家创造具有特定性质的未来物质。而发现这种冰需要超高速测量以及对温度和压力的精细控制，这推动了实验技术的发展。伦敦大学学院的克里斯托夫·萨尔兹曼（Christoph Salzmann）发现了冰XIII、XIV和XV，他表示：“五年前，这一切都尚不可能。因此，该发现肯定会产生巨大影响。”

针对这个问题，不同的人会给出不同的答案。超离子冰要么是让水的众多形态中又添了一种，又或是一种更为奇特的物质。来自法国国家科学研究中心和巴黎第六大学的物理学家莉维亚·博维认为，由于超离子冰中的水分子会分解，所以它不能被划分成水的一种新形态，而是一种新的物质状态。“这真的是一种新的物质状态，简直令人惊奇，”博维说道。

冰之谜题

多年来，物理学家们一直致力于寻找超离子冰——自1988年皮埃尔弗兰科·德蒙蒂斯（Pierfranco Demontis）领导的原始计算机模拟预测以来，如果水被推向已知的冰相图之外，则将呈现出一种奇怪的、类似金属的形态。

模拟表明，在极端压力和高温下，水分子会分解。米尔洛特（Millot）说，氧原子被锁定在立方晶格中，“氢原子则开始从晶格中的一个位置跳到另一个位置，随之不断跳跃。”由于在晶格位点之间的跳跃速度非常快，氢原子（被电离，本质为带正电的质子）看起来像液体一样移动。

这表明超离子冰会像金属一样导电，氢原子在其中扮演了电子的角色。这些松散的氢原子四处涌动也会增加冰的无序性，或称为熵增。反过来，熵增会使超离子冰比其他类型的冰晶更加稳定，从而导致其熔点飙升。

新超离子水冰相的计算机模拟图，展示了氢离子（灰色）在氧离子（蓝色）的面心立方晶格内的随机、类似液体的运动。图源：哈梅尔（Hamel）、米尔洛特、科帕里（劳伦斯利物莫国家实验室）

这一切想象起来很容易，却很难让人信服。最初的模型采用了简化的物理学原理，在解决问题过程中，回避了真实分子的量子特性。后来在计算机模拟中加入了更多量子效应，但仍然回避了多个量子相互作用的实际方程。这些方程的计算难度过大，难以解开。于是就采用了近似值，使得整个实验场景大有可能变得如海市蜃楼一般虚幻。与此同时，实验无法在不产生足够热量，融化设备的前提下达到所需的压力。

然而，随着这个问题的不断发酵，行星科学家们开始暗中怀疑——水可能存在一个超离子冰相。科学家首次预测该相态存在的时候，旅行者2号探测器已经航行到太阳系的外围，探测到了了冰巨行星——天王星和海王星的怪异磁场。

太阳系其他行星的磁场通常呈现出明确的北极和南极，没有其他结构。行星科学家将这种磁场归因于“发电机效应”：在行星内部，导电流体随着行星的旋转而上升并旋转，形成巨大的磁场。这种现象类似于行星中心插有一根与旋转轴对齐的条形磁铁。

相比之下，天王星和海王星发出的磁场显得更为复杂无序——这两颗行星具有两个以上的磁极，且并不与行星的自转轴紧密对齐。产生这种杂乱磁场的一种可能的原因是——产生“发电机效应”的导电流体仅仅存在于行星外壳处，并未贯穿行星中心。

科学家推断，这些行星的固态核心无法产生磁场，但该推断似乎并不现实。如果钻探这些冰巨星，首先会碰到一层离子水，它能够流动、传导电流并形成“发电机效应”。从表面上看，在更深处、温度更高的地方，物质也应该处于流体状态。“我以前总是开玩笑说，天王星和海王星的内部不可能是固态的，”来自约翰霍普金斯大学的萨宾·斯坦利（Sabine Stanley）表示道，“但现在，事实证明其内部还真有可能是固态的。”

冰之谜团大揭秘

现在，科帕里、米洛特及其团队终于将谜团拼凑在一起。

在二月份发表的一项早期实验中，物理学家们为超离子冰的存在提供了间接证据。他们将一滴室温下的水挤压在两枚切割钻石的尖端之间。当压力升高到约1吉帕斯卡时，即压力大约是马里亚纳海沟底部的10倍时，水就变成了一种称为冰VI的四方晶体。当压力达到约2吉帕斯卡时，水转变成了冰VII，这是一种密度更大的立方晶体，肉眼透明。科学家们最近发现，该晶体结构也存在于天然钻石内部。

图中，劳伦斯利物莫国家实验室的物理学家费德里卡·科帕里手持一张X射线衍射图像板，她和同事正是利用这张图像板发现了冰XVIII，即超离子冰。图源：尤金·科瓦卢克（Eugene Kowaluk）/激光能量学实验室

随后，米洛特和同事将激光能量学实验室的OMEGA激光器瞄准了金刚石砧之间的冰VII。当激光击中金刚石表面时，它会将材料向上蒸发，有效地将金刚石推向相反方向，并向冰中发送冲击波。米洛特的团队发现，超高压状态下的冰会在大约4700摄氏度时熔化，与预期中超离子冰的温度大致相同。而且，由于带电质子的运动，超高压状态下的冰能够导电。

预测完超离子冰的整体性质后，科帕里和米洛特的新研究进入了下一步，即确认其结构。萨尔兹曼表示：“若想证明某物是晶体，X射线衍射是必不可少的。”

新实验完全跳过了冰VI和冰VII的研究。相反，研究团队只是用激光在金刚石砧之间猛烈撞击水。十亿分之一秒后，冲击波在其中荡漾，水开始结晶成纳米大小的冰块。科学家们用另外16束激光将样品旁边的一小片铁蒸发。由此产生的热等离子体用X射线照射正在结晶的水，X射线随后从冰晶中衍射出来，使研究团队能够分辨出该结构。

水中的原子已经重新排列成一种久经预测却从未见过的结构，即冰XVIII。该立方晶格的每个角和每个面的中心都有氧原子。“这是一个相当大的突破，”科帕里说道。

“该相不是量子分子动力学的模拟产物，而是真实存在的物质——这一结论令人欣慰，”博韦说道。

模拟实验与超离子冰之间的成功的相互验证表明，材料物理研究者追求的最终“梦想”的实现指日可待。“只要告诉我，你想要的材料具有何种特性，我们就可以利用计算机从理论上找出你所需要的材料及晶体结构，”加州大学伯克利分校发现团队的成员雷蒙德·让劳兹（Raymond Jeanloz）如是说，“整个学界都在与该目标渐行渐近。”

新的分析还表明，尽管超离子冰确实能导电，但它是一种粘稠的固体。超离子冰会随时间流动，但不会真的发生搅动。因此，在天王星和海王星内部，流体层可能会在深入行星约8000公里处停止流动。在行星内部的8000公里深处，超离子冰形成的巨大地幔开始出现，即米洛特团队制造出的同种超离子冰。因此，“发电机效应”仅出现在行星内部较浅的深度，从而解释了这些行星不同寻常的磁场现象。

太阳系中的其他行星和卫星或许不具有合适的内部温度和压力，以产生超离子冰。但是，许多与冰巨星大小相仿的系外行星却可能具有产生超离子冰的条件，这表明超离子冰可能在银河系内的冰冻行星内部广泛存在。

当然，没有哪颗行星完全由水构成。太阳系中的冰巨星的构成成分也包含甲烷和氨等化学物质。斯坦利表示：“超离子现象在自然界中实际发生的情况，取决于当水中混有其他物质时，这些相是否仍然存在。”尽管其他研究人员已经提出超离子氨也应该存在，可是迄今为止，答案尚不明晰。

除了将研究扩展到其他材料外，研究团队还希望继续深入研究超离子晶体的悖论性二元性。米洛特表示：“捕捉氧原子的晶格是我做过的最具挑战性的实验。”他们的实验团队尚未捕捉到质子在晶格间隙中那幽灵般的流动。科帕里表示：“我们尚未达到相应的技术水平，但该领域发展迅速。”

作者：Joshua Sokol

翻译：边颖

审校：wnkwef

原文链接：Black, Hot Ice May Be Nature’s Most Common Form of Water

编辑：7号机

翻译内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

本文转载自《中科院物理所》微信公众号