水在2000℃高溫下可以結冰?水其實還有第20種形態:冰十八

水是生命之源,萬物之母,它的存在形式既可以是 固態也可以是 氣態、液態,人們生活中常見的固態水——冰,就是水達到凝固點結成的。

冰溜

讓人難以置信的是,水在 2000℃的高溫下竟然可以結冰,水其實還有第20種形態:冰十八。

冰十八與普通水

顧名思義,冰十八就是冰的 第十八種形態,在人類所發現的形態當中,水的存在形式大體上可以分為五種。

前三種廣泛分布在大自然界, 固態就是能夠保持水形態特征的存在,其表現形式主要是冰、雪、冰雹。

地球上的淡水資源絕對部分就是以 固態的形式存在,它們分別在南北兩極,形成巨大的冰川。

如今冰川占比量也越來越小了

對于 太陽系當中的其他行星也是如此,比如火星上的水源同樣是固態形式,有的深藏在地下,有的則是在維度高于60°的極地地區。

液態是水物質可以進行流動,變形,壓縮的存在,包括人們們生活中的水源、雨等等。

自然界中的水在循環 不會變少

值得一提的是 霧氣算是液態水的形式,它雖然看上去像是氣態,但是真正的氣態屬于氣體,而霧氣是水分凝結之后的小水珠。

這種 小水珠體型太小,質量輕容易懸浮在空中,人類肉眼無法觀測到小水滴的形狀,當它們匯聚起來形成霧氣的時候,就極容易被人類誤認為是氣態。

霧的形成原因多種多樣

氣態的定義與業態相似,都屬于一種 流體,只不過氣態流體的活動范圍更加寬廣,它屬于液態水達到氣化溫度的新形態,許多氣態水都是不可見的,人類最常見的一種氣態就是水蒸氣。

在人類生活的環境當中,并沒有完全 純粹的氣態水,所有的氣態水都是與空氣當中的雜志混合之后形成的混合氣態水。

后兩種分別為 玻璃態等離子態

水的不同形態

玻璃態的水是指溫度處于零攝氏度以下,但水 未結冰的存在形式,這種形式下的水,既不是固態也不是液態,更像一種呈現固態的 粘稠液體

等離子態則剛好 相反,水的存在形式既是液態,也是固態,在強大的磁力以及壓強的作用下,水當中的電子脫離了原子核的吸引,并分裂成兩派。

一派是 帶負電的自由電子,另一派是 帶正電的離子,兩者之間數量相等共存下,就形成了等離子態。

等離子活化水制作

五種形態形態當中,固態細分下來的形態就有物種,其他形態再進行 細分,一共可以得到水的 22種形態

而冰十八屬于粒子態當中細分的一種,被稱為是 超離子水

到21世紀之前,超離子水的存在只是在理論當中,并沒有技術手段來證明超離子水真正存在。

科學家們猜測,只有在極端的環境當中才能夠產生超離子水,比如在 天王星木星這樣高壓強的巨冰星以及大型氣態行星當中。

天王星

超離子水究竟有多 神奇呢?在人們生活當中,固態的水在溫度超過零攝氏度的時候開始緩慢融化,并且隨著溫度越高融化的速度越快。

一塊拳頭大小的 冰塊,在100攝氏度的高溫下,撐不過 10分鐘就會變成液態。

超離子水不同,它可以在 2000攝氏度的高溫下,依舊保持著自身固態的形狀,也就是人們熟知的冰形態。

能夠在2000攝氏度的高溫保持固態,似乎已經完全顛覆了人類目前的 認知,不過仔細探究其中的原理,可以發現合理性。

超離子水與冰晶

進入到21世紀,隨著人類科技的進步,科學家們模擬了一個類似于 行星內核的場所。

處于內核當中, 溫度超過2000℃, 壓強相當于正常大氣壓的10萬倍,經過初步研究分析。

普通行星結構

處于這樣極端環境當中的 物質都會非常奇怪,就比如水,處于固態與液態相交的狀態。

這時的水當中氧原子保持穩定狀態不動,氫原子則是表現的比平常 更加活躍,穩定的氧原子形成了緊密堆積的晶體格子,形成 固態冰

固定下來的氧原子擴散當中的 質子,促使離子的導電率不斷攀升,超離子水就變得極容易導電,甚至超過金屬材質。

這種形態下的超離子水形成的固態,想要 融化它,至少要超過形成它時所產生的溫度。

為了進一步研究超離子水的 特性,科學家們又做了一場精密的實驗。

此前,由于 技術條件的限制,人類研究超離子水是通過激光加熱,使得水的溫度迅速升溫,簡單就將超離子水的特性下了判斷。

這一次,帶著更加 精密設備的科學家,決定自己制作一份超離子水。

考慮到制作的困難性,科學家采用了一顆只有1.5毫米寬的 水滴進行試驗。

水滴被兩顆金剛石包夾在當中,兩顆金剛石在 專門的儀器下能夠產生極高的壓強,模擬了行星內部的壓強環境。

在溫度上,科學家還是采用了傳統的 激光加熱,不同的是這一次加熱的控制精準度控制在納秒之內。

一切準備就緒之后,科學家將水滴放置在了特制的 試驗台上,六個高功率的激光同時對準水滴。

一旦實驗開始,六個激光輻射出的 能量能夠瞬間達到2000攝氏度,科學家通過觀察當中水分子的震動頻率,就可以得知水狀態的變化。

激光輻射出的 1納秒內,數據已經記錄在其中了,果不其然,水滴當中的原子在高溫當中,僅僅是 3到5納秒的時間,就已經重新組合排列,5納秒之后,水的震動頻率發生變化。

水分子的排列

正所謂科學的道路 永無止境,雖然證明了超離子水確實是存在的,但實驗人員Fried說:「通過觀察,我們可以確定物質狀態的邊界。」

對于超離子水的觀測僅僅是邁出了 第一步,在未來還有更多的難題等著科學家們去探索。

宇宙中的冰巨星

上世紀90年代,天文學家們對 氣態行星重新做了一個界定,因為天文學家們發現在天王星內部的氣體成分只有20%為氫氣。

這與木星等純正的氣態行星不同, 木星當中的氫氣含量高達90%以上,而天王星的主要組成部分是冰。

所以天文學家將這類主要由冰組成的巨行星踢出了氣態行星的行列,將它們成為 冰巨星

冰巨星內部結構

冰巨星的表層主要還是以 氫氣為主,表層之下是永凍的冰層,冰的主要組成成分為水、甲烷等物質。

后來天文學家又對冰巨星當中的氫氣進行了研究,發現冰巨星的氫氣缺乏 金屬氫,成為又一重要的區分條件。

科學家表示,目前所知當中冰巨星星球的內部很有可能充滿了 超離子水,比如天王星。

天王星充滿了固態的水源,雖然 表面溫度低至零下200攝氏度,但是內核產生的高溫足以讓水變為超離子水。

隨著時間的推移,行星內部的超離子水會發生 對流的情況,最終整個內核都將充斥著超離子水。

人類無法抵達這些行星的內部,卻可以通過研究 相同的物質,揭開星河系氣態行星的秘密。

浩瀚又神秘的宇宙

甚至可以揭露,在天王星當中,究竟為何存在如此 強大的磁場

天王星當中的磁場強度是地球的 50倍,此前科學家推測,一方面很有可能與它龐大的體型有關。

另一方面,可能是由于 電離對流熔融冰幔,厚重的冰層影響了天王星磁場的周轉變化。

隨著 超離子水探索的深入,也許會改變人類對天王星等冰巨星現有的看法。


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