@ 2019.05.12 , 14:00

科学家证实水存在超离子热冰形态

动用了地球上最强大的激光器之一,科学家总算制得了“超离子”热冰——可以在数千度下保持固态的结晶水。

在恐怖的压力下,有可能诞生出这种奇异形式的冰,实验的结果或许揭示出了天王星和海王星等巨大冰行星的内部结构。

在地球表面,水的沸点和冰点相对固定。但这两种状态都受压力的影响(这就是为什么在高海拔地区水的沸点更低)。

在真空中,水不能以液体形式存在。它在-270℃(即宇宙空间的平均温度)下立即沸腾并蒸发,然后逐渐变成冰晶。

但据理论推测,在极高压环境中,情况恰恰相反:即使在极高的温度下,水也会凝固。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们最近才直接观察到这现象,并且在去年发表了一篇详细的论文。

他们创造了Ice VII,冰的某种结晶类型。实验环境的压力超过地球大气压的30000倍——或者说3千兆帕斯卡。在此条件下用激光轰击水分子。得到的冰具有可导电的离子流,而不是电子流,这就是把它称为超离子冰的原因。

现在他们又完成了后续实验。他们提议将新产物命名为Ice XVIII。

在之前的实验中,团队只能观察到一般性质,如能量和温度;内部结构的细节仍然难以捉摸。因此他们设计了一个使用激光脉冲和X射线衍射的实验来揭示冰的晶体结构。

“我们想确定超离子冰的原子结构。”LLNL的物理学家Federica Coppari说,“但考虑到维持难以捉摸的物质形态稳定所需的极端条件,在如此压力和温度下,同时拍摄原子结构是一项非常困难的任务,这需要新的实验创意。”

首先,在两张钻石砧之间铺设一层薄薄的水。然后使用6台巨型激光器以逐渐增加的功率发射一系列冲击波,在高达100-400千兆帕斯卡的压力下压缩水。

随后将温度提升至1650至2760摄氏度之间(太阳表面为5505摄氏度)。

水在此时会结晶,但由于压力和温度条件只能保持几分之一秒,物理学家不确定冰晶是否会形成和生长。

因此,他们使用激光器发出另外16道脉冲上轰击一小块铁箔,产生一道等离子体流,在恰当的时间产生X射线闪光。这些闪光相当于从内部晶体衍射,显示出结晶体的稳定性。

“我们测量到的X射线衍射图谱是在超快冲击波压缩过程中形成的致密冰晶的明确标志,证明来自液态水的固体冰的成核速度足以在实验中的纳秒时间尺度内被人类观察到。”Coppari说。

X射线显示出了前所未见的结构——每个角上和面中心上都有氧原子的立方晶体。

LLNL的物理学家Marius Millot表示,“找到氧气晶格存在的直接证据,是超离子冰理论最终缺失的部分”。

“这为我们去年提出的实验证据提供了额外的支持。”

这一结果可以用来解释海王星和天王星等冰巨人如何能够拥有如此奇怪的磁场——海王星有着与天王星类似的磁层,它的磁场相对自转轴有着高达47°的倾斜,并且偏离核心至少0.55 半径,或是偏离物理上的中心13500公里。在航海家2号抵达海王星之前,天王星的磁层倾斜假设是因为它躺着自转的结果,但是,比较这两颗行星的磁场,以前科学家认为这种极端的指向是行星内部流体的特征。这个区域也许是一层导电体液体(离子水和氨的流动海洋代替地幔)形成的对流层流体运动,造成发电机的活动。*该段落大部分内容来自百科

但该团队的研究表明,这些行星可以像地球一样具有坚固的地幔,但是由超离子冰而不是岩石构成。由于超离子冰具有高导电性,可能会影响到行星的磁场。

“实验结果极大地影响了我们对冰巨行星的内部结构和演化的理解,以及它们在太阳系内众多的外在行为表现。”

该研究发表在《自然》上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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