美国研究人员将水滴置于金刚石之间施加超222GPa压力，首次观察到水分子结构发生扭曲变形，揭示了冰巨星内部的奇特水形态。
水是生命孕育的关键，因此科学家在探索外行星时，总是首先寻找水的踪迹。然而，在那些环境极端的外星世界里，水究竟呈现出怎样的形态？发表在期刊Communications Chemistry上的一项最新研究中，来自美国的研究人员将水置于类似于天王星或海王星等行星内部的极端压力下，发现其基本原子结构发生了显著改变。简单来说，水分子在原子层面上失去了原有的对称性，变得更加扭曲。这一结构改变对水如何传导热量、影响磁场以及改变行星密度有着重要意义，直接关乎天文学家如何通过望远镜观测和解读远方世界。
此前，这种原子层面的结构转变仅存在于计算机模拟预测中。如今，科学家首次在实验室里亲眼目睹了这一现象。内华达大学拉斯维加斯分校的物理学家Ashkan Salamat表示，超出地球环境条件的水所表现出的行为，比人们以往想象的要复杂得多。
为了模拟极端环境，研究团队将一小滴水置于两块金刚石的针尖之间，随后加压至超过222GPa。这一压力数值大约是我们在地球表面所承受大气压力的220万倍。实验过程中，研究人员利用X射线衍射技术，通过观察X射线穿过水滴时的散射规律，在微观尺度上精准识别水的化学与结构变化。按照常理，当原子被剧烈挤压在一起时，排列通常会变得更加紧密和对称。然而这次实验的结果恰恰相反，冰的晶体结构反而变得更加不规则且被拉长。
这项实验为人类探索宇宙深处开辟了一扇新的窗口。虽然实验目前仅模拟了行星内部的高压，尚未完全复现其高温环境，但结合来自Voyager计划等探测任务收集的数据，科学家已经能够逐步推断出这些远方行星的内部组成、压力与温度条件。通过在实验室里重现这些化学过程，研究人员正在探索行星内部可能发生的奇妙现象。
此外，这一发现也深化了人们对十号冰(ice-X)的认知。十号冰是科学家已知的20多种冰形态之一，通常会在较宽的压力范围内逐步形成。当压力达到约50GPa时，其氢原子与氧原子的排列会呈现出高度对称的结构。而本次实验将十号冰推向了未知的极限压力，揭示了一种新的结构转变，重新定义了十号冰的稳定上限。研究人员在论文中指出，这一转变标志着高压水进入了全新的结构复杂阶段。
对远方行星的研究离不开合理的推断与对望远镜观测数据的精确解读。了解高压下水分子的真实结构，有助于人类更准确地构建天王星和海王星等行星的模型。如果水的微观结构发生改变，它所参与的化学反应也可能大不相同，甚至可能催生出地球上从未见过的某种矿物或金属化合物。无论对于寻找外星生存环境的科学模型，还是对于未来深空探测器的实地探索，这些知识都至关重要。
原文：https://www.sciencealert.com/water-does-something-unexpected-under-the-crushing-pressures-of-alien-worlds