黑色的冰，纳秒间的新相变，这是可以测量的吗？-网络知识

超高温超离子冰是一种新的物质状态

这种冰将解释结冰世界的神秘磁场。

（图解：如艺术绘制所示，罗彻斯特大学激光能量实验室研究员在近期一项研究中再现了之前的装置构造超离子冰。这种情况下的冰是不稳定的。图源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室插图/ Millot, Coppari, Hamel, Krauss）

科学家近期通过挤压两块钻石间的水滴并使用世界最强激光器之一将其爆破至恒星级高温，得到了水的一种神奇的新物态。

这种被称为超离子冰的“”奇怪的黑色“的水存在于与地球中心等压等高温的环境下。它的发现将很快帮助研究人员探索隐藏在其他星体中心的奥秘。

此前，研究人员利用冲击波构造出的这种超离子冰存在20纳秒后就会解体。而这项新实验标着科学家第一次创造出稳定的、存在时长足以进行详细研究的超离子冰。研究人员于10月14日在《自然物理学》期刊上发表了这些研究成果。

（图解：激光冲击水分子。图源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室）

芝加哥大学地球物理学家及阿贡国家实验室先进光子源（APS）的束线科学家维塔利·普拉卡彭卡（Vitali Prakapenka）是研究的合著者，他在一份声明中说：“这是个惊喜——所有人原本都认为要再现这一物态，除非达到远超我们初次发现超离子冰时的压强。”

液态水，水蒸气和冰是水最常见的物态，不过水分子也可以在其他排序下呈现出别的状态。实际上科学家已经发现了水冰的20种状态——由不同的温度与压强下氢原子和氧原子多种不同的键合方式产生。

（图解：不同温度压强关系下的水冰状态）

例如，冰6和冰7的分子分别以矩形棱柱和立方体形式排列。据生活科学（Live Science）报道，冰11如果放置在电场中就会翻转，冰19则很脆，且只有其氢原子有序排列。

超高温耐高压的超离子冰是科学家发现的第18种水冰，也是目前为止最奇特的。它的奇特之处在于其氧原子像处于固态冰中一样锁定，而其氢原子在放出电子成为离子——也即成为被剥夺电子而带正电的原子核——之后则可以像在液态水中一样在冰中流动。

（图解：冰模型，大球代表氧原子，小球代表氢原子）

“想象一个立方体，一个中心是氧原子、周围连接着氢原子的晶格，”普拉卡彭卡说，“当它转变为这种新的超离子状态，晶格扩张，氢原子四处迁移，氧原子原地不动。这有点像一块稳固的氧晶格位于漂浮的氢原子海洋中。”

游动的氢原子挡住了光，使其无法按照预期方式通过冰，因此超离子冰表面呈黑色。

生活科学此前报道过，萨萨里大学化学教授皮尔弗兰克·德蒙蒂斯（Pierfranco Demontis）带领的研究团队于1988年首次提出了存在超离子冰的理论概念，美国加州劳伦斯利弗莫尔实验室（LLNL）研究员于2018年首次发现了超离子冰存在的证据。研究员使用激光器发出超高压冲击波爆破水滴，使其达到能让超离子冰瞬间出现的温度与压强，他们甚至还在它融化之前测量了超离子冰的电导率，并在几纳秒（十亿分之一秒）中短暂地看到了它的结构。

（图解：钻石砧创造超离子冰实验装置）

为了进行更细致的测量，普拉卡彭卡和同事们需要创造更稳定的超离子冰。因此，他们用0.2克拉钻石砧挤压水滴，然后用激光器爆破水滴。钻石的硬度保证钻石砧能向水滴施加350万个地球大气压，激光器则将水滴加热至高于太阳表面的温度。随后，团队用一种叫做同步加速器的电子加速器向水滴发射X射线。于是，研究人员通过测量由超离子冰内原子散射的X射线的强度与角度确定了超离子冰的结构。

（图解：金刚石压砧）

与冲击波实验法相比，这种方法延长了超离子冰可供观察的时间，时长达到微秒（百万分之一秒）级。额外的时间意味着研究人员可以准确地描绘水滴转变为超离子冰过程中的不同相变。

进一步的研究能帮助科学家更好地理解冰的特性，并绘制出自然界冰发生不同相变的条件。自由漂浮的氢离子会形成磁场，研究人员由此想到超离子冰是否存在于海王星、天王星等行星的核心，又会否困于木星那表面结冰的卫星欧罗巴的冻海中。果真如此，这些冰就会成为探索这些星体甚至是太阳系外行星磁层的关键。由于磁层保护行星免受有害太阳射线及宇宙射线的影响，了解超离子冰的形成方式及位置对科学家寻找外星生命就有极大的指导意义。