北極冰雲（溫度是太陽表面的一半）

2023-05-05 06:50:24

聽說過超離子冰嗎？它具有非常奇特的性質。與我們常見的冰都不同的是，超離子冰是黑色的，而且溫度很高。一小立方體的超離子冰的質量，是同等大小的普通冰的4倍。

撰文 | 二宗主

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無論是在北極還是家裡的冰櫃中，地球上的大部分冰都是以一種相對「普通」的形態存在。然而，在極端的溫度和壓力下，水會被擠壓成各種奇妙的樣子。30多年前，物理學家預測過一種奇特的冰晶結構：在極大的壓力之下，水會被擠壓成一種具有高導電性的超離子形式。但直到最近，勞倫斯利物莫國家實驗室（LLNL）的物理學家才真正發現了這種冰晶結構。目前為止，科學家總共已發現18種不同的水的冰晶結構。

在新的實驗中，研究人員將強大的雷射器瞄向水，在此過程中所產生的激波能把水的壓力提高到數百萬個大氣壓，溫度提高到接近太陽表面溫度的一半。奇妙的是，這樣的過程並沒有讓水變成過熱的液體或蒸汽，而是讓水凍結成了固體，結晶成冰。

高功率雷射聚焦在金剛石表面產生了一系列激波，激波穿過水層，同時對水進行壓縮和加熱，迫使它凍結成超離子冰。（藝術構想圖）| 圖片來源：Millot、Coppari、Hamel、Krauss/LLNL

這種最新的冰的形式被稱為超離子冰，它具有非常奇特的性質。與我們常見的冰都不同的是，超離子冰是黑色的，而且溫度很高。一小立方體的超離子冰的質量，是同等大小的普通冰的4倍。

雖然它很難自然地出現在地球上，但科學家認為它是宇宙中最豐富的水的形態。至少在整個太陽系中，以超離子冰形式存在的水可能比其他任何態的水都要多。科學家認為，在天王星和海王星的內部就充滿了這種超離子冰，它們在這些行星上扮演著類似地球地幔的角色。在最近的《自然》期刊上，物理學家們詳細報告了這一新的發現。

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從微觀的層面上看，之前的所有水的冰晶結構都是由完整的水分子構成的，每個水分子都有一個氧原子和兩個氫原子。但超離子冰卻不一樣，它像是一隻「兩面獸」，一部分是固體，一部分是液體：它的單個水分子會分裂，其中氧原子形成立方晶格，凝結成固體晶體；氫原子則自由地穿梭在晶格之中，像液體一樣四處流動。有科學家認為，這已經不能算是水的一種新的相了，而是一種新的奇特的物質狀態。

1988年，物理學家Pierfranco Demontis就曾通過建模來模擬這種奇特的像金屬一樣的冰晶結構。他模擬了水在極端的壓力和高溫環境下的情況，在模擬中，水中的氧原子被鎖在一個立方晶格中，帶電的氫原子則可以自由移動。四處遊走的氫賦予了這些冰很強的導電性，並且也增加了冰的熵，而熵的增加也反過來使得這一冰晶結構比其他的冰更加穩定，熔點更高。

但在當時，這一切都只停留於想像的層面，科學家很難真正相信它們的存在。而且Demontis所建立的第一個模擬其實是一個作出過許多物理簡化的版本。在後來的一些模擬中，科學家開始將量子效應納入考量，但要從實驗上來實現這一景象仍是天方夜譚。

到了去年，物理學家Marius Millot和Federica Coppari等人似乎找到了這種超離子冰存在的第一絲跡象。他們對液態的水進行壓縮，使得液態水在十億分之一秒內變成了固態冰。經過測量發現，這種「水冰」的導電性在短時間內比之前增強了數百倍，這意味著水冰已經變成了「超離子」態。

在最新的測試中，研究人員使用6束巨大的雷射束來產生一系列的激波，這一次，他們創造了數百萬倍於地球表面的壓力和數千攝氏度的溫度，將一層薄薄的液態水壓縮成了凝固的冰。他們精確地記錄了X射線閃光觸碰到這種結構的時長，在十億分之一秒後，水開始結晶成納米大小的冰塊。然後，他們再用16束雷射去讓放置於水樣本一旁的鐵箔片蒸發，由此產生的熱等離子體會向已結晶的水中注入X射線。

X射線衍射實驗照片。巨型雷射器聚焦在水樣上，將水樣壓縮成超離子相。額外的雷射束從一塊鐵箔片上產生出X射線，使研究人員能夠對壓縮的水層進行快速成像。| 圖片來源：Millot, Coppari, Kowaluk/LLNL

隨後，從冰晶中衍射出來的X射線，足以使研究人員辨別出它們的結構。他們看到氧原子被緊緊地塞進了面心立方晶格（FCC）中，也就是立方體中的每個頂點以及每個面的中心都有一個原子。這是科學家們首次觀察到水可以具有這樣的冰晶結構，它表明水的這種超離子相併不僅僅存在於模擬之中，而是真實存在的。

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行星科學家們也曾懷疑過水可能存在超離子冰相。就在超離子冰的概念被剛剛提出前後，進入了外太陽系的旅行者2號探測器就發現了天王星和海王星的磁場有一些奇怪。這類巨大的行星通常被稱為冰巨星，大約有65%是水，還有一些氨和甲烷。

天王星與海王星。| 圖片來源：Wikipedia

對於地球、木星和土星等行星而言，磁場分為南北兩極，清晰明了，就好像在這些行星的中心有一個方向與自轉軸一致的條形磁鐵一樣。行星科學家將這歸因於當行星旋轉時，行星內部的導電流體上升並盤旋，從而產生了巨大的磁場。

相比之下，天王星和海王星的磁場看起來很不平整、很複雜。海王星的磁場就像是由一個方向已經發生偏移的條形磁鐵所產生的，這個磁鐵的兩極會從赤道處伸出來；天王星的磁場更是古怪，它像是由一條被上下顛倒的條形磁鐵所形成的，磁場的方向和行星的自轉似乎也沒有多大的關係。這兩個冰巨星的磁場都可能不太穩定。

新的研究結果為天王星和海王星提供了一些信息。實驗結果表明，天王星和海王星應該有一個超離子冰層，它類似於地球的地幔。這或許能解釋這些星球為何會具有如此不同尋常的磁場。Millot提出，在天王星和海王星的超離子冰層的頂部邊緣可能存在一層液體，而且這層液體也是一種具有高導電性的水相。這些行星的磁場可能就起源於此，比其他行星的磁場離行星表面更近，這或許能解釋它們的不穩定性。

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新的發現將極大地改變我們對於冰巨星等行星內部結構的理解，並且隨著天文學家已經發現更多像海王星和天王星這樣的系外行星，因此這一發現或許在宇宙中的遙遠部分也同樣適用。

除此之外，對超離子冰的成功發現也表明，一些從事材料物理學研究的科學家的終極「夢想」可能很快就會實現：他們只要設想出想要的材料性質，然後用電腦從理論上弄清楚這樣的材料將會有怎樣的晶體結構。這對於材料學來說，將會是一個重大的飛越。

參考連結

[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

本文經授權轉載自微信公眾號「原理」。

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