科學家發現溫度3000度的黑色“超離子冰”

來源:環球科學    關鍵詞:激光能量, 超離子冰,    發布時間:2019-05-28

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溫度高達兩三千攝氏度的黑色“超離子冰”不僅存在,還可能是太陽系中含量最高的水的形態之一。 
圖片來源:@iammoteh

我們熟悉的冰都是無色透明的純凈固體,但在極端溫度、壓力條件下,冰可以呈現出全然不同的面貌。30多年前,就有物理學家預言,水能夠以一種獨特的超離子冰晶存在。最近,在一項發表于《自然》的論文中,這一猜測終于得到了證實:這種溫度高達兩三千攝氏度的黑色“超離子冰”不僅存在,還可能是太陽系中含量最高的水的形態之一。

撰文 | Joshua Sokol

編譯 | 董依明

審校 | 吳非

在羅切斯特大學的激光力學能實驗室,科學家用世界上最強大的激光之一對準了一滴水。激光發射,形成的沖擊波讓水滴的壓力達到了大氣壓的數百萬倍,溫度也升高升至幾千攝氏度。X射線瞬間穿越水滴,讓人類目睹到一幅前所未見的畫面。

通過X射線,科學家了發現,水在這種極端條件下呈現出全新的形態!沖擊波里的水并沒有成為過熱液體或氣體,而是凝固、結晶成冰。研究證實了具有奇異性質的水的新相位——“超離子冰”(superionic ice)的存在。不同于我們見過的冰,超離子冰是黑色的、溫度相當于太陽表面溫度的一半,密度也是普通冰的4倍。

研究成果發表在近期的《自然》上,加州勞倫斯利福摩爾國家實驗室的馬里厄斯·米約(Marius Millot)與費德麗卡·科帕里(Federica Coppari)合作領導了這項試驗。

早在30多年前,就有物理學家提出超離子冰的概念。雖然直到現在才現出原形,但科學家認為這也許是宇宙中含量最豐富的水的形態之一。至少,超離子冰可能在太陽系中廣泛存在,它們在天王星和海王星的內部含量豐富,比地球、木衛二和土衛二的海洋中的液態水還要多。超離子冰的發現揭開了存在數十年的冰巨星成分之謎。

冰的18種結構

目前,科學家發現冰包含了18種晶體結構。其中,我們最熟悉的、水分子按照六邊形排列的普通冰晶被命名為“冰1h”。除冰1(有兩種形式:冰1h和冰1c)以外,其余的冰晶按照2~17編號。

按照編號順序,此次發現的全新冰晶結構為冰18。此前發現的所有水冰都是由完整的水分子構成的,每個水分子中都由一個氧原子與兩個氫原子相連。但超離子冰并非如此,它的形態結構游走于某種超現實主義的邊緣:部分是固體,部分是液體。單個水分子會分裂,氧原子形成一個立方晶格,但氫原子可以像液體一樣自由地流過氧原子的牢籠。

超離子冰的發現證實了此前計算機的預測,能幫助材料學家創造出具有特定性質的未來材料。但想要發現這種冰,需要極快的測量、精準調控溫度和壓力等先進的實驗技術。“這些發現在5年前看還是遙不可及的,這必定將產生巨大的影響。”發現了冰13、冰14和冰15的倫敦大學學院物理學家克里斯托夫·薩爾茲曼(Christoph Salzmann)說道。

預言超離子冰

1988年,意大利物理學家皮耶爾弗蘭科·德蒙蒂斯(Pierfranco Demontis)領導的一項研究通過計算機模型,首次預測出這種奇特、近乎呈金屬態的結構。

模擬結果顯示,在極端的壓力和溫度條件下,水分子會瓦解。氧原子被鎖定在立方晶格中,氫原子電離成為帶正電的質子,它們從一個位置跳到另一個位置,然后繼續跳到下一個......由于速度太快,它們仿佛像液體一樣流動。

按照這個模型,這意味著冰18能夠導電,而氫原子則扮演電子的角色。疏松的氫原子排布使得冰18的熵值提高,使其穩定性高于其他冰晶結構,進而導致熔點急劇上升。

這一切很容易去想象,但很難令人完全信服。第一個模型使用了簡化的物理方法,而后續的模擬加入了更多的量子效應,但仍回避了描述多個量子體相互作用所需的方程。這些方程計算難度相當大,所以他們大量依賴于近似,這使模擬結果的準確性大大降低。與此同時,如果不產生足夠的熱量來融化這種耐寒的物質,實驗就無法產生必要的氣壓。

行星科學家也提出了自己的猜想:水或許有一個超離子冰的相位。就在科學家首次預言冰18時,“旅行者2號”飛船進入外太陽系,發現了兩顆冰巨星——天王星和海王星磁場的怪異現象。
天王星與海王星的磁場(圖片來源:科羅拉多大學)

除了天王星和海王星外,太陽系中其他行星的磁場結構簡單、擁有明確的南極和北極。這就好像它們的中心只有條形磁鐵,與旋轉軸平行。行星科學家把這歸因于“發電機”:當行星旋轉時,內部導電液體產生對流,形成巨大的磁場。

相比之下,天王星和海王星的磁場更為復雜。它們的磁場有多個極,自轉方式也都比較特別。有一種可能性是,負責這兩顆冰巨星“發電機”運轉的導電流體被禁錮在它們的薄外殼,而不是向內部進入核心。

之前科學家一直認為,因為固態核心是無法形成“發電機”的,所以“這些行星可能存在固體內核”的想法似乎也并不現實。如果你在這些冰巨星上打鉆,首先會看到一層離子水,它會流動、會導電,參與發電機的工作。于是我們想當然地認為,下層更深的物質,在更熱的溫度下,也肯定是液體。約翰·霍普金斯大學的薩拜因·斯坦利(Sabine Stanley) 說:“我過去常常開玩笑說,天王星和海王星的內部實際上是不可能是固態的。但現在的事實證明,它們還真可能是固態的。”

發現證據


現在,科帕里、米約的研究終于將這些零碎的證據拼在了一起。


在去年2月發表的一項實驗中,他們發現了冰18存在的間接證據。研究者把一滴處于室溫的水擠入兩顆切割好的鉆石的尖端之間。將壓強提高到10億帕斯卡(大約是馬里亞納海溝底部壓力的10倍),這時水滴變成四方晶體,也就是冰6。壓強提高到20億帕斯卡后,水滴又變成了一種更致密的透明立方形態——冰7,科學家最近在天然鉆石內部也發現了冰7。

然后,在激光能量學實驗室,米約和他的同事用OMEGA激光瞄準了仍夾在鉆石砧之間的冰7。當激光擊中鉆石表面時,蒸發的物質向上移動,將鉆石朝相反的方向推,沖擊波穿過了此時的冰。研究團隊發現,這時冰的熔點在4700攝氏度左右,這與超離子冰的預期熔點是一樣的;而且由于帶電質子的運動,超壓冰確實能夠導電。

隨著對冰18性質的預測得到證實,研究團隊開始分析冰18的結構。薩爾茲曼說:“如果想證明某種物質是晶體,你需要進行X射線衍射。”

他們的新實驗跳過了冰6和冰7,只是用激光沖擊了鉆石之間的水滴。十億分之一秒后,隨著沖擊波穿過,水開始結晶成只有納米大小的冰立方。科學家們又用16束激光蒸發了樣品旁邊的薄鐵片,產生的熱等離子體向結晶的水中注入X射線,冰晶使X射線發生衍射,使晶體的結構清晰可辨。

X射線衍射實驗照片。(圖片來源:Millot, Coppari, Kowaluk)

水中的原子重新排列,終于構成了這個很久前就被預測,卻從未現身的晶體結構:一個立方晶格,每個角落和每個面的中央都有氧原子。

“這個相位的存在并不是量子分子動力學模擬的產物,而是真實存在的——這非常令人欣慰。”法國物理學家利維婭·博韋(Livia Bove)說。

新的分析還暗示了某些信息,盡管冰18確實能導電,但它呈糊狀的固態。它會隨時間而流動,但不會真正翻騰。在天王星和海王星內部,流體層可能會在8000千米深處停止流動,在那里,冰18構成的幔部將大多數發電機的運行限制在淺層,這就導致了非比尋常的磁場。

太陽系的其他行星和衛星內部并不具備生成冰18所需的極端溫度和壓力。但很多系外的冰巨星可能存在冰18,這表明這種物質可能在整個銀河系的冰世界中普遍存在。

當然,沒有哪顆行星只由水構成,太陽系中的冰巨星中也混合了甲烷和氨等物質。斯坦利說,自然界中,超離子的出現“取決于當我們把水和其他物質混合時,這些相是否仍然存在。”盡管其他研究人員認為超離子氨也應該存在,但到目前為止這還無法確認。

除了將研究擴展到其他材料,研究團隊還希望將重點放在超離子晶體奇怪的、幾乎是矛盾的對偶性上。捕捉氧原子的晶格“顯然是我做過的最具挑戰性的實驗”,米約說。他們還沒有看到質子在晶格的間隙中如同幽靈般流動。“從技術上講,我們還沒達到那個水平,”科帕里說,“但這個領域發展得非常快。”或許不久后,超離子晶體的結構與性質將更加清晰。

原文鏈接:

https://www.quantamagazine.org/black-hot-superionic-ice-may-be-natures-most-common-form-of-water-20190508/
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