幾十年前，科學(xué)家就提出超離子導(dǎo)體冰概念，也就是所謂的“冰十八”。他們認(rèn)為超離子導(dǎo)體冰存在于天王星、海王星等冰巨星的地幔。但一直以來，沒有一個人通過實驗證明它們的存在。最近，科學(xué)家在羅切斯特大學(xué)的激光力學(xué)能實驗室成功創(chuàng)造出超離子導(dǎo)體冰。超離子導(dǎo)體冰擁有一系列怪異的特性，有助于揭示天王星、海王星等冰巨星的謎團(tuán)?？茖W(xué)家指出這種奇異水相可能遍布宇宙的每個角落。

超離子導(dǎo)體冰的發(fā)現(xiàn)有助于科學(xué)家揭開天王星、海王星等冰巨星的謎團(tuán)

在紐約布萊頓的激光力學(xué)能實驗室，科學(xué)家利用世界上最強(qiáng)大的激光轟擊一滴水，所形成的沖擊波讓水的壓力達(dá)到大氣壓的數(shù)百萬倍，溫度飆升到數(shù)千攝氏度。與此同時，X射線穿過水滴，讓科學(xué)家首次目睹極端環(huán)境下的水形態(tài)。X射線觀測結(jié)果表明沖擊波內(nèi)的水并沒有成為超熱液態(tài)或者氣態(tài)，反而是原子凍結(jié)，形成水晶般透明的冰。正如隔壁房間中目不轉(zhuǎn)睛盯著屏幕的科學(xué)家們所預(yù)期的一樣。

這項實驗由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室物理學(xué)家費(fèi)德麗卡科帕里和馬修斯·米洛特帶隊，研究發(fā)現(xiàn)刊登在《自然》雜志上。實驗證明了所謂的“超離子導(dǎo)體冰”的存在。這是一種奇異的水相，擁有一系列不可思議的特性。與我們熟悉的冰不同，超離子導(dǎo)體冰“又黑又燙”，密度是普通冰的4倍。30年前，科學(xué)家首次提出理論，預(yù)言超離子導(dǎo)體冰的存在。盡管直到如今科學(xué)家才能確認(rèn)它的存在，但他們一直認(rèn)為超離子導(dǎo)體冰可能是宇宙中數(shù)量最多的水形態(tài)之一。

海王星，擁有與眾不同的磁場

至少在太陽系，天王星和海王星內(nèi)部的超離子導(dǎo)體冰數(shù)量超過其它水相，包括地球、木衛(wèi)二“歐羅巴”和土衛(wèi)二“恩克多拉斯”的液態(tài)水。超離子導(dǎo)體冰的發(fā)現(xiàn)有助于科學(xué)家揭開天王星和海王星等冰巨星的一系列謎團(tuán)。這種奇異冰也就是所謂的“冰十八”，是一種新晶體。此前所有已知水冰都由完整的水分子構(gòu)成，冰十八則截然不同。這種冰部分呈固態(tài)，部分呈液態(tài)。它們的水分子瓦解，氧原子形成一個立方晶格，氫原子自由流動，穿過晶格。

專家們表示冰十八的發(fā)現(xiàn)驗證了電腦的預(yù)測，可以幫助材料學(xué)家在未來創(chuàng)造出擁有特定特性的新材料。發(fā)現(xiàn)這種冰需要進(jìn)行超速測算，精確的溫度和壓力控制以及先進(jìn)的實驗技術(shù)。倫敦大學(xué)學(xué)院的克里斯托夫·薩爾茲曼表示：“5年前，科學(xué)家還無法做到這些。毫無疑問，這將產(chǎn)生巨大影響。”法國國家科技研究中心物理學(xué)家利維亞·波夫指出由于水分子瓦解，冰十八并不是一個真正意義上的新水相，而是一種新的物質(zhì)形態(tài)。

羅切斯特大學(xué)激光力學(xué)能實驗室的X射線衍射實驗

模擬結(jié)果顯示在極端壓力和溫度條件下，水分子會土崩瓦解。氧原子被禁錮在立方晶格，氫原子從一個位置跳到另一個位置。由于速度太快，它們仿佛液體一樣流動。此外，氫原子還發(fā)生電離，本質(zhì)上就是一個帶正電的質(zhì)子。這意味著冰十八能夠?qū)щ?，氫原子扮演電子的角色。此外，松散的氫原子還能提高冰十八的熵值，讓這種冰的穩(wěn)定性超過其它冰晶，進(jìn)而導(dǎo)致融點飆升。

就在科學(xué)家首次預(yù)言冰十八前后，“旅行者2”號飛船進(jìn)入太陽系外側(cè)，并發(fā)現(xiàn)了天王星和海王星磁場的怪異現(xiàn)象。太陽系其它行星的磁場擁有明確的南極和北極，并沒有太多其它結(jié)構(gòu)。相比之下，天王星和海王星的磁場更為復(fù)雜，并不只有南北兩極，與自轉(zhuǎn)方向也不一致。一種可能性是，負(fù)責(zé)兩顆冰巨星“發(fā)電機(jī)”運(yùn)轉(zhuǎn)的導(dǎo)電流體被禁錮在天王星和海王星的薄外殼，而不是進(jìn)入地核。不過，這意味著它們可能擁有固態(tài)核心，而固態(tài)核心無法形成“發(fā)電機(jī)”。

羅切斯特大學(xué)的激光力學(xué)能實驗室

在此前的一項實驗中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了冰十八的間接證據(jù)。實驗中，他們將一滴室溫水塞入兩顆鉆石的尖端之間。當(dāng)壓力提高到一個吉帕斯卡（馬里亞納海溝底部壓力的10倍左右），水滴變成四方晶體，也就是冰六。壓力提高到兩個吉帕斯卡后，變成了冰七，一種更致密的透明立方形態(tài)。最近，科學(xué)家在天然鉆石內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了冰七。

借助激光力學(xué)能實驗室的OMEGA激光器，米洛特和同事創(chuàng)造出冰十八。這一次的水滴仍夾在鉆石砧之間。隨著激光照射到鉆石表面，蒸發(fā)的物質(zhì)向上移動，把鉆石往相反的方向推，讓沖擊波穿冰而過。與預(yù)想的一樣，米洛特的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)冰十八的融點在4700攝氏度左右。由于帶電質(zhì)子的移動，這種冰能夠?qū)щ姟?/p>

哈勃望遠(yuǎn)鏡2006年拍攝的天王星照片

在確定冰十八的特性后，科帕里和米洛特帶領(lǐng)他們的團(tuán)隊分析冰十八的結(jié)構(gòu)。薩爾茲曼表示：“如果想證明某種物質(zhì)是晶體，你需要進(jìn)行X射線衍射?！彼麄兊男聦嶒灺赃^了冰六和冰七，利用激光轟擊鉆石砧之間的水滴。十億分之幾秒后，隨著沖擊波穿過，水開始晶體化，變成只有納米大小的冰塊?？茖W(xué)家利用16道激光束蒸發(fā)樣本旁邊的薄鐵片，所產(chǎn)生的炙熱等離子體讓晶體被X射線淹沒。

冰晶讓X射線發(fā)生衍射，允許研究小組推測它們的結(jié)構(gòu)。冰十八是水中原子重新排列的產(chǎn)物。很久以前，科學(xué)家就預(yù)言這種奇異冰的存在，但始終未能發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在，他們最終如愿以償?？婆晾锉硎荆骸斑@是一項重大突破。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室物理學(xué)家費(fèi)德麗卡·科帕里

分析結(jié)果顯示雖然冰十八能夠?qū)щ?，但它們呈糊狀固態(tài)，會隨著時間推移流動。在天王星和海王星內(nèi)部，流體層可能在8000公里處戛然而止，隨之而來的是冰十八構(gòu)成的地幔，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)作用被限制在較淺的深度，進(jìn)而造就了與眾不同的磁場。太陽系的其它行星和衛(wèi)星內(nèi)部并不具備產(chǎn)生冰十八所需的溫度和壓力。很多系外冰巨星可能存在冰十八，說明在銀河系的多冰世界，冰十八是一種常見物質(zhì)。