4700摄氏度才会化的冰，可能是水在太阳系最常见形态

熟悉的冰是无色透明的纯固体，但是在极端的温度和压力条件下，冰会呈现出完全不同的外观。30多年前，物理学家预测水可以作为一种独特的超离子冰晶存在。最近，在《自然》杂志上发表的一篇论文中，这种推测终于得到了证实:这种熔点为4700摄氏度的黑色“超级离子冰”不仅存在，而且可能是太阳系中含量最高的水的一种形式。

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在罗切斯特大学的激光机械能实验室，科学家将世界上最强大的激光之一瞄准了一滴水。激光发射产生的冲击波使水滴的压力达到大气压的数百万倍，温度上升到几千摄氏度。x射线瞬间穿过水滴，让人类见证了一幅前所未有的画面。

通过x光，科学家们发现水在如此极端的条件下呈现出一种全新的形态！冲击波中的水没有变成过热的液体或气体，而是凝固并结晶成冰。研究证实了一种新的具有奇怪性质的水的存在——“超级冰”。与我们看到的冰不同，超离子冰是黑色的，温度相当于太阳表面温度的一半，密度是普通冰的四倍。

研究结果发表在最近的《自然》杂志上。加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的马里乌斯·米月和费德里卡·科帕里领导了这项实验。

早在30年前，物理学家就提出了超级离子冰的概念。尽管直到现在它还没有显示出它的真实形态，科学家认为它可能是宇宙中最丰富的水的形式之一。至少，亥伯龙冰可能在太阳系广泛存在。它们在天王星和海王星内丰富，比地球、欧罗巴和土卫二的海洋有更多的液态水。超级离子冰的发现揭开了存在了几十年的冰巨星的组成之谜。

18冰的结构

目前，科学家已经发现冰含有18种晶体结构。其中，最常见的水分子六角形排列的普通冰晶叫做“冰1h”。除了除冰1(有两种形式:冰1h和冰1c)，其余的冰晶编号从2到17。

根据编号顺序，新发现的冰晶结构是冰18。所有以前发现的水冰都由完整的水分子组成，每个水分子由一个氧原子和两个氢原子连接。然而，亥伯龙冰的情况并非如此。它的形态结构处于某种超现实主义的边缘:一部分是固体，一部分是液体。单个水分子会分裂，氧原子形成立方体晶格，但氢原子可以像液体一样*地流过氧原子的笼子。

超级离子冰的发现证实了之前的计算机预测，并能帮助材料科学家创造出具有特殊性质的未来材料。然而，为了发现这种冰，需要先进的实验技术，如极快的测量和精确控制温度和压力。“这些发现五年前还遥不可及，这肯定会产生巨大影响。”发现冰13、冰14和冰15的伦敦大学学院物理学家克里斯托弗·萨尔兹曼说。

预测超级离子冰

1988年，意大利物理学家皮埃尔弗兰科·德蒙蒂斯领导的一项研究首次通过计算机模型预测了这种奇怪的几乎是金属的结构。

模拟结果表明，在极端压力和温度条件下，水分子会分解。氧原子被锁定在立方晶格中，氢原子电离成带正电的质子，质子从一个位置跳到另一个位置，然后继续跳到下一个位置。。。。。。由于它们的速度，它们看起来像液体一样流动。

根据这个模型，这意味着冰18可以导电，而氢原子扮演电子的角色。氢原子的松散排列增加了冰18的熵值，使其比其他冰晶结构更稳定，从而导致熔点急剧上升。

这一切很容易想象，但很难完全说服。第一个模型使用了简化的物理方法，而随后的模拟增加了更多的量子效应，但仍然避免了描述多个量子体相互作用所需的方程。这些方程很难计算，所以它们严重依赖于近似值，这大大降低了模拟结果的准确性。同时，如果产生的热量不足以熔化这种耐寒物质，实验就不能产生必要的气压。

行星科学家也提出了他们自己的猜想:水可能有一个超级冰的阶段。就在科学家首次预测到冰18时，旅行者2号宇宙飞船进入了太阳系外层，并在天王星和海王星这两个冰巨人的磁场中发现了奇怪的现象。

天王星和海王星的磁场(照片来源:科罗拉多大学)

除了天王星和海王星，太阳系其他行星的磁场很简单，有明确的南极和北极。就像他们在中心有一个条形磁铁，平行于旋转轴。行星科学家将其归因于“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加复杂。它们的磁场有许多磁极，它们的旋转模式非常特殊。一种可能性是，负责两个巨型冰“发电机”运行的导电流体被限制在它们的薄壳中，而不是从内部进入核心。

科学家们长期以来一直认为，因为固体核心不能形成“发电机”，所以“这些行星可能有固体核心”的想法似乎也不现实。如果你在这些冰巨人上钻孔，你首先会看到一层离子水，它会流动、导电并参与发电机的工作。所以我们理所当然地认为，在较低的层中，较深的物质在较高的温度下肯定是液体。约翰·霍普金斯大学的萨宾·斯坦利说:“我曾经开玩笑说天王星和海王星的内部不可能是实心的。但现在事实证明，它们确实是可靠的。”

证据的发现

现在，对科帕里和米月的研究终于拼凑出了这些零碎的证据。

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。研究人员在室温下从两颗切割钻石的顶端挤出一滴水。将压力提高到10亿帕斯卡(约为马里亚纳海沟底部压力的10倍)，水滴就会变成四方晶体，即冰6。压力上升到20亿帕斯卡后，水滴变成了密度更大的透明立方体形式——冰7。科学家最近在天然钻石中发现了冰7。

然后，在激光能量学实验室，米月和他的同事将欧米茄激光瞄准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，将钻石推向相反的方向，此时冲击波穿过冰层。研究小组发现，冰的熔点约为4700摄氏度，与超离子冰的预期熔点相同。此外，由于带电质子的运动，超压冰确实可以导电。

随着对冰18的性质预测的确认，研究小组开始分析冰18的结构。萨尔兹曼说:“如果你想证明一种物质是晶体，你需要做x光衍射。”

他们的新实验跳过了冰6和冰7，只用激光击中钻石之间的水滴。十亿分之一秒后，当冲击波通过时，水开始结晶成只有纳米大小的冰块。科学家用16束激光束蒸发样品旁边的薄铁片。产生的热等离子体将x光注入结晶水中。冰晶衍射了x光，使晶体结构清晰可辨。

x射线衍射实验照片。(照片来源:米洛特、科帕里、科瓦卢克)

水中原子的重新排列最终形成了一种晶体结构，这种晶体结构被预测了很长时间，但从未出现过:一个立方体晶格，每个角落和每个表面的中心都有氧原子。

“这一阶段的存在不是量子分子动力学模拟的产物，而是真实的——这非常令人欣慰。”法国物理学家利维雅·波维说。

新的分析还提出了一些信息，尽管冰18确实导电，但它是糊状固态。它会随着时间流动，但不会真正搅动。在天王星和海王星内部，流体层可能在8000千米深处停止流动，在那里冰18的地幔将大多数发电机的运行限制在较浅的层，从而产生不寻常的磁场。

太阳系中的其他行星和卫星不具备产生冰所需的极端温度和压力。然而，冰18可能存在于许多银河系外的冰巨星中，这表明这种物质可能在整个银河系的冰世界中无处不在。

当然，没有一个星球是由水单独构成的，太阳系中的冰巨人也是由甲烷和氨混合而成的。斯坦利说，自然界中叠加现象的存在“取决于当我们将水与其他物质混合时，这些相是否仍然存在”尽管其他研究人员认为超氧离子氨也应该存在，但目前还没有得到证实。

除了将研究扩展到其他材料，研究小组还希望专注于超级离子晶体奇怪的、几乎矛盾的双重性。米月说，捕捉氧原子的晶格“显然是我做过的最具挑战性的实验”。他们还没有看到质子像幽灵一样在晶格间隙中流动。“技术上，我们还没有达到那个水平，”科帕里说，“但是这个领域发展得非常快。”也许超离子晶体的结构和性质将很快变得更加清晰。