水在2000℃高溫下竟可以結冰?水其實還有第20種形態:冰十八

固體還是液體

物質的 相態無非三種,固態、液態、氣態,三種相態決定了物質的 基本物理特性,當然還有一種比較特殊了無相態流體。

不過這并不是真的沒有相態,這種物質的形成條件往往非常苛刻,并且無法再常規環境種找到。

冰的固態相

例如二氧化碳的 超臨界流體便是一種特殊的狀態,它位于三者之間,并對地質科學研究有著很大的幫助。

另外一項研究中,或許與超臨界流有著些許相似的地方,它也同樣需要極端的環境才能出現。

超離子水的藝術圖像

冰十八,也被稱作 超離子水。這是科學家在今天發現的 水的另一種形態,這種看似不可能出現的物質居然真實存在。

簡單描述的話, 超離子水既是固體也是液體

它所存在的環境完全可以 顛覆我們常規的認知,水在2000℃的高溫下也能夠 保持固態存在,以冰的形式出現。

關于超離子水,科學家最開始認為這確實有可能,并在天王星和海王星這樣的大型氣體行星中出現。

再早之前,美國物理學家玻西布里奇曼在1912年發現了水的5種固態相態。

超離子冰的可視化

后來的科學家在他的研究基礎上進行了進一步研究,如今已知有 超過17種結晶冰結構和幾種無定形冰結構。

這里面關鍵的地方便在于水分子間較為弱小的氫鍵, 極端環境和壓力下,例如行星深處會出現各種水相,新的 超離子水也正是在這樣的環境下誕生。

科學家通過理論分析認為,當水超過100吉帕的壓力時,溫度超過1700℃時,可能會出現超離子水

水在這個時候,會通過氧固體晶格的空位擴散質子,使水的離子電導率超過每厘米100西門子。

超離子水的內部表現

這個時候 水的導電率會和金屬一樣高,當冰處在這種超離子狀態時,想要融化它必須達到數千攝氏度。

由于水分子結構形成了緊密堆積的氧晶格,新的冰體形式便出現了。

90年代以前,科學家們主要 利用分子動力學模擬來預測超離子水的存在

雖然理論化了幾十年,但在這之后,超離子水的實驗證據才出現。

水究竟發生了什麼

1999年的科學分析顯示,海王星和天王星能夠滿足超離子水的存在條件,這兩個星球中的氨和水便會以這樣的形式出現。

而最初的實驗證據則來自對金剛石砧室中,通過激光加熱水的 光學測量得到了初步認定。

進入21世紀后,科學家才通過實驗室逐漸了解到超離子水的真相,并且可以利用實驗器材進行超離子水的制作。

LLNL 的科學家團隊

冰的第十八種狀態

通過前面的介紹我們基本了解了超離子水的特性,顯然這要在實驗室中將它表現出來會非常困難。

研究人員首先用了 一小滴水,這滴水只有 30微米厚,1.5毫米寬,并被填充在兩個薄金剛石圓盤之間形成的 小空腔中。

然后,科學家將這一小滴水放置在羅切斯特大學的 激光能量實驗室中。

通過 歐米茄激光靶室中心的真空狀態,再使用 6個高功率激光器產生一系列沖擊波。

實驗使用的激光裝置之一

通過模擬高溫高壓的環境來對這一小滴水進行相態改變。

為了驗證這部分的假設,研究人員在沖擊波發射之后的 十億分之一秒內對樣本進行了 X射線衍射測量

測量使用了一組額外的16束高功率激光進行,這樣就能在 1納秒的時間內將8000焦的光發射進 2平方毫米的薄鐵箔中。

這片微小的貼箔會出現250微米的光斑,并影響到上面的水滴。

激光壓縮實驗的藝術渲染

如此強烈的輻射環境下,大部分鐵箔片被蒸發并被電離成了熱等離子體。

一開始會以非常特定的能量發射X射線光子,這是由于剛剛形成的 極其微小的納米冰塊導致的。

其中一些X射線會被衍射,并被光束擊中出現在圖像板探測器中。

相關設備會幫助研究人員確認原子以規則的晶格進行排列,實驗顯示它們確實 從液態水固化成超離子水冰的結晶氧晶格,時間僅用了3~5納秒。

X 射線衍射圖像板

此次 實驗證實了超離子水冰的存在,所以像天王星這樣的氣態行星內部深處是很有可能出現這種物質的。

同時科學家還解釋道,超離子水中的晶格有明確直接的特征,這種冰不應該像地球的液態鐵流體一樣快速轉動。

相反,如果它出現在天王星中, 它的表現形式應該和地幔類似。因此在地質時間尺度中,超離子冰會發生對流的情況。

如今的研究表明,超離子水可以幫助科學家更好地了解冰巨行星的內部結構,以及和它們類似的富含水的系外行星,甚至可以解釋這類冰巨星的磁場。

X 射線衍射實驗的時間積分照片

根據NASA航海者2號的研究來看, 天王星這樣的冰巨星磁場與地球和其他行星的偶極場有很大不同

天王星和海王星被稱作冰巨星的原因在于,它們內部主要由水、氨和甲烷組成。

極高的壓力和溫度恰好滿足了這些物質的變化條件,因此科學家推測像超離子水這樣的物質很可能是天王星的主要組成部分。

冰巨星的外觀

另外,還沒有探測器對這類冰巨星進行更為細致的探索,所以人類在今天對它們的了解仍然很少,它們的內部環境仍然是一個謎。

目前來講,這類冰巨星具有非常奇怪的 非軸對稱、非偶極磁場,這與太陽系中的其他行星完全不同。

盡管有不少行星在質量、密度方面的組成結構有著類似,但本質上它們有很大不同。

因為海王星內部有一個熱源,但天王星幾乎不排放任何物質,所以 天王星看上去會更「冷」

冰巨星的結構

如今我們已經知道超離子水會影響磁場,不過相關的研究需要進一步進行,這對未來了解宇宙有著不少幫助。

冰巨星與冰

值得一提的是, 冰十八在外觀上會表現出很大的差異

與我們一般見到的透明的 冰晶體不同,超離子水形成的晶格體因為 氧原子像固體中一樣被鎖定在了適當的位置。

而它的 氫原子在電子被剔除后變成離子, 原子核中的 電子消失,因此它們為 正電

這使得冰十八便呈現出詭異的狀態,既是固體,也能像流體一樣緩慢運動。

沒有外加電場的情況下

我們也 可以這樣理解,如果把冰想成一個立方體,那麼每個角落都會有一個由氫連接的氧原子晶格。

當它轉變成新的超離子相時,晶格便會膨脹,氫原子四處逃竄,但氧原子會保持固定的位置,固體氧晶格就像是漂浮在氫原子海洋中。

對超離子水的實驗和冰巨星的思考讓科學家們相信,宇宙中大部分的水的表現形式可能都會是這種超離子相。

不過想要通過超離子水實驗來完全揭示整個謎團還很困難,首先是制造這樣一塊冰太難了。

當施加電場時,H +離子向陽極遷移

實驗過程中 無法確定氫氣的位置,動態壓縮實驗中的溫度測量也十分麻煩。

一般來講,冰十八實驗主要來自設計階段和結果解釋來為其提供相關指導。

不過在 進一步的研究中,已經有科學團隊在利用機器學習技術從量子計算機中去了解原子的相互作用。

從而在處理超離子水在長時間尺度的能力方面取得了進展。

充滿冰體的世界

通過機器學習的方法來優化分子動力學在實驗中的表現,如此依賴便能使用先進的自由能采樣方法以準確確定相界。

相關實驗會在 未來繼續,盡管這在日常中并不能看見,但它在機器學習、冰巨星研究中有著不少作用,未來關于冰形態的研究讓人充滿信心。


用戶評論