它介於液體和固體之間,美國學者製造出「超離子水」

作者 | 發布日期 2018 年 02 月 11 日 12:00 | 分類 生物科技 , 自然科學 follow us in feedly

來自美國的研究團隊於 5 日表示,他們成功在地球上創造了一種介於液體與固體狀態的「超離子水」,他們相信這樣的發現將能夠解釋許多天文學家懷疑已久的問題。



理論上,有這麼一個東西……

一直以來,天文學家均注意到天王星、海王星產生的磁場和地球很不一樣,面對這奇怪的現象,科學家假設這是因為存在於天王星、海王星的水冰是一種既是液體,也是固體的「超離子水」(superionic water)。

星球的怪異磁場是因為它

他們認為,在理論上這種狀態的「超離子水」會像金屬一樣導電,才會讓天王星、海王星的磁場這麼奇怪,但是過去並沒有人能證明「超離子水」存在。

▲ 水分子特殊的性質,讓科學家對此進行了各式各樣的研究。(Source:pixabay

水分子的千萬種風貌

一般來說,水是由兩個氫原子、一個氧原子構成的分子,並以 V 字型的方式相互連結。當有非常多水分子聚集時,它們集體的結構會根據狀態有所改變。

舉例來說,當水分子處於液態時,水分子之間會因為氫鍵而與其他水分子隨意卻緊密地連結。但如果是在結冰狀態,那麼水分子之間就會形成特定的堆積結構,形成更加穩固的晶體(冰)。目前科學家已經知道十幾種「冰」的形態,就是因為水分子排列、堆積方式不同有關。

高壓也會改變水分子

其實除了溫度,水分子在施以高壓的情況下,氫原子、氧原子也會跟著改組,形成其他晶體結構。目前科學家也已經知道十幾種「冰」的不同形態。

▲ NASA 拍攝的海王星下半部。「超離子水」是在 1988 年第一次提出,直到現在才證實。(Source:NASA

必須高壓、高溫才能滿足條件

1988 年,科學家認為推測天王星和海王星高壓、高溫的環境,可能就是催生出「超離子水」的原因──一種氫以離子形態,自由移動於氧的晶體結構之間,形成了介於液體和固體之間的狀態。

地球上看不到的型態

來自加州柏克萊大學地球和行星科學的教授讓洛斯(Raymond Jeanloz)形容,這就像是「有一部分的水冰融化了」,而這種形態的水並不存在於地球。在 5 日,一份刊登於期刊《自然─物理學》的研究相信他們成功在地球上製造出了「超離子水」。

▲ 團隊的實際實驗過程,當時他們正以雷射光照射「冰七」。(Source:LLNL

在常溫也會結冰的「冰七」

當時讓洛斯博士和他的同事在勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)透過兩片鑽石,以每平方英吋 36 萬磅的壓力加壓水,讓水因為高壓形成在室溫環境也能形成的固態冰「冰七」(ice VII),密度是水的 60 倍高,施加的壓力則是一般人在地球感受到壓力的 25,000 倍。

用雷射光加壓又加溫

緊接著,該團隊把冰塊帶到紐約羅徹斯特大學的實驗室,照射高達攝氏數千度的雷射光線,藉此讓冰塊施加的壓力提升到大氣壓力的 190 萬倍。

它的密度很高  還會導電

研究者指出,他們觀察到實驗體的密度、溫度有明顯竄升,與此同時,裡頭的氫離子也出現導電情況,代表他們成功創造出既是固體也是液體的「超離子冰」。

▲ 2016 年 5 月,一名藝術家根據克卜勒太空望遠鏡發現的星體,所繪製而成的太空圖。(Source:NASA

也許可以生成新物質

洛斯博士相信,科學家理論上知道分子會因溫度和壓力變化而改變物理性質,但只要科學家一一把這些假設透過實驗化為現實,人們也可以開始思考生成新物質的可能性。

相信在天文學很重要

讓洛斯博士也指出,這份研究對天文研究來說很重要,他說:「想要了解星球內部及演化過程,磁場是很重要的資訊。所以能夠實際測試,甚至確實解釋了天王星、海王星的怪異磁場,是很令人高興的一件事。」

「另一方面,想到這兩顆星球內有因為攝氏數千度高溫而存在的『超離子水』,真的很讓人難以置信,但這就是實驗出來的結果。」

接下來,該團隊計劃要針對水施以更高壓的實驗,並把這項技術應用在其他物質,像是在木星、土星很常見的氦氣。

(本文由 地球圖輯隊 授權轉載;首圖來源:Flickr/Scott Robinson CC BY 2.0)