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这种黑色的冰,温度是太阳表面的一半
2019-05-27 09:45

这种黑色的冰,温度是太阳表面的一半

Image by Colin Behrens from Pixabay ,本文来自公众号:原理(ID:principia1687),作者:二宗主


1.


无论是在北极还是家里的冰柜中,地球上的大部分冰都是以一种相对“普通”的形态存在。然而,在极端的温度和压力下,水会被挤压成各种奇妙的样子。30多年前,物理学家预测过一种奇特的冰晶结构:在极大的压力之下,水会被挤压成一种具有高导电性的超离子形式。


但直到最近,劳伦斯利物莫国家实验室(LLNL)的物理学家才真正发现了这种冰晶结构。目前为止,科学家总共已发现18种不同的水的冰晶结构。


在新的实验中,研究人员将强大的激光器瞄向水,在此过程中所产生的激波能把水的压力提高到数百万个大气压,温度提高到接近太阳表面温度的一半。奇妙的是,这样的过程并没有让水变成过热的液体或蒸汽,而是让水冻结成了固体,结晶成冰。


高功率激光聚焦在金刚石表面产生了一系列激波,激波穿过水层,同时对水进行压缩和加热,迫使它冻结成超离子冰。(艺术构想图)| 图片来源:Millot、Coppari、Hamel、Krauss/LLNL


这种最新的冰的形式被称为超离子冰,它具有非常奇特的性质。与我们常见的冰都不同的是,超离子冰是黑色的,而且温度很高。一小立方体的超离子冰的质量,是同等大小的普通冰的4倍。


虽然它很难自然地出现在地球上,但科学家认为它是宇宙中最丰富的水的形态。至少在整个太阳系中,以超离子冰形式存在的水可能比其他任何态的水都要多。科学家认为,在天王星和海王星的内部就充满了这种超离子冰,它们在这些行星上扮演着类似地球地幔的角色。在最近的《自然》期刊上,物理学家们详细报告了这一新的发现。


2.


从微观的层面上看,之前的所有水的冰晶结构都是由完整的水分子构成的,每个水分子都有一个氧原子和两个氢原子。但超离子冰却不一样,它像是一只“两面兽”,一部分是固体,一部分是液体:它的单个水分子会分裂,其中氧原子形成立方晶格,凝结成固体晶体;氢原子则自由地穿梭在晶格之中,像液体一样四处流动。有科学家认为,这已经不能算是水的一种新的相了,而是一种新的奇特的物质状态。


1988年,物理学家Pierfranco Demontis就曾通过建模来模拟这种奇特的像金属一样的冰晶结构。他模拟了水在极端的压力和高温环境下的情况,在模拟中,水中的氧原子被锁在一个立方晶格中,带电的氢原子则可以自由移动。四处游走的氢赋予了这些冰很强的导电性,并且也增加了冰的熵,而熵的增加也反过来使得这一冰晶结构比其他的冰更加稳定,熔点更高。


但在当时,这一切都只停留于想象的层面,科学家很难真正相信它们的存在。而且Demontis所建立的第一个模拟其实是一个作出过许多物理简化的版本。在后来的一些模拟中,科学家开始将量子效应纳入考量,但要从实验上来实现这一景象仍是天方夜谭。



对新的超离子冰的计算机模拟,视频中显示了氢原子(灰色,一些用红色突出了)在以面为中心的氧原子立方晶格(蓝色)中像液体一样的随机运动。| 视频来源:Hamel, Millot, Coppari /LLNL


到了去年,物理学家Marius Millot和Federica Coppari等人似乎找到了这种超离子冰存在的第一丝迹象。他们对液态的水进行压缩,使得液态水在十亿分之一秒内变成了固态冰。经过测量发现,这种“水冰”的导电性在短时间内比之前增强了数百倍,这意味着水冰已经变成了“超离子”态。


在最新的测试中,研究人员使用6束巨大的激光束来产生一系列的激波,这一次,他们创造了数百万倍于地球表面的压力和数千摄氏度的温度,将一层薄薄的液态水压缩成了凝固的冰。他们精确地记录了X射线闪光触碰到这种结构的时长,在十亿分之一秒后,水开始结晶成纳米大小的冰块。然后,他们再用16束激光去让放置于水样本一旁的铁箔片蒸发,由此产生的热等离子体会向已结晶的水中注入X射线。


X射线衍射实验照片。巨型激光器聚焦在水样上,将水样压缩成超离子相。额外的激光束从一块铁箔片上产生出X射线,使研究人员能够对压缩的水层进行快速成像。| 图片来源:Millot, Coppari, Kowaluk/LLNL


随后,从冰晶中衍射出来的X射线,足以使研究人员辨别出它们的结构。他们看到氧原子被紧紧地塞进了面心立方晶格(FCC)中,也就是立方体中的每个顶点以及每个面的中心都有一个原子。这是科学家们首次观察到水可以具有这样的冰晶结构,它表明水的这种超离子相并不仅仅存在于模拟之中,而是真实存在的。


3.


行星科学家们也曾怀疑过水可能存在超离子冰相。就在超离子冰的概念被刚刚提出前后,进入了外太阳系的旅行者2号探测器就发现了天王星和海王星的磁场有一些奇怪。这类巨大的行星通常被称为冰巨星,大约有65%是水,还有一些氨和甲烷。


天王星与海王星。| 图片来源:Wikipedia


对于地球、木星和土星等行星而言,磁场分为南北两极,清晰明了,就好像在这些行星的中心有一个方向与自转轴一致的条形磁铁一样。行星科学家将这归因于当行星旋转时,行星内部的导电流体上升并盘旋,从而产生了巨大的磁场。


相比之下,天王星和海王星的磁场看起来很不平整、很复杂。海王星的磁场就像是由一个方向已经发生偏移的条形磁铁所产生的,这个磁铁的两极会从赤道处伸出来;天王星的磁场更是古怪,它像是由一条被上下颠倒的条形磁铁所形成的,磁场的方向和行星的自转似乎也没有多大的关系。这两个冰巨星的磁场都可能不太稳定。


新的研究结果为天王星和海王星提供了一些信息。实验结果表明,天王星和海王星应该有一个超离子冰层,它类似于地球的地幔。这或许能解释这些星球为何会具有如此不同寻常的磁场。Millot提出,在天王星和海王星的超离子冰层的顶部边缘可能存在一层液体,而且这层液体也是一种具有高导电性的水相。这些行星的磁场可能就起源于此,比其他行星的磁场离行星表面更近,这或许能解释它们的不稳定性。


4.


新的发现将极大地改变我们对于冰巨星等行星内部结构的理解,并且随着天文学家已经发现更多像海王星和天王星这样的系外行星,因此这一发现或许在宇宙中的遥远部分也同样适用。


除此之外,对超离子冰的成功发现也表明,一些从事材料物理学研究的科学家的终极“梦想”可能很快就会实现:他们只要设想出想要的材料性质,然后用电脑从理论上弄清楚这样的材料将会有怎样的晶体结构。这对于材料学来说,将会是一个重大的飞越。


本文来自公众号:原理(ID:principia1687),作者:二宗主


参考链接:

[1] http://www.nature.com/articles/s41586-019-1114-6#MOESM1

[2] http://www.nationalgeographic.com/science/2019/05/bizarre-hot-ice-xviii-seen-on-earth-superionic-uranus-neptune/

[3] http://www.quantamagazine.org/black-hot-superionic-ice-may-be-natures-most-common-form-of-water-20190508/

[4] http://www.sciencealert.com/exotic-form-of-water-ice-is-half-as-hot-as-the-sun-and-it-s-just-been-created-here-on-earth

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