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注册新宝GG家发现温度3000度的黑色“超离子冰”

时间: 2019年05月28日 | 作者: Joshua Sokol | 来源: 环球注册新宝GG(huanqiukexue.com)
温度高达两三千摄氏度的黑色“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。


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图片来源:@iammoteh


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:这种温度高达两三千摄氏度的黑色“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。


撰文 | Joshua Sokol

编译 | 董依明

审校 | 吴非


在罗切斯特大学的激光力学能实验室,注册新宝GG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,注册新宝GG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,但注册新宝GG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,注册新宝GG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。


行星注册新宝GG家也提出了自己的猜想:水或许有一个超离子冰的相位。就在注册新宝GG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。


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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。行星注册新宝GG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。


之前注册新宝GG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(Sabine Stanley) 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,注册新宝GG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。注册新宝GG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。


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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。


原文链接:

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


原始论文:

Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1114-6