發現超離子冰第 18 種結構

作者 | 發布日期 2019 年 05 月 13 日 19:53 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

過去物理學家預言,當水承受極端壓力和溫度時,會轉變成奇異的超離子態,可能大量存在於冰巨行星中,而這項預言於 2018 年首度被證實。現在,美國研究人員發現超離子冰新的微觀結構,或許能進一步解謎冰巨行星的異常磁場之謎。



我們對「冰」這物質都很熟悉,但你知道根據水分子之間的排列方式,水冰還可以分出很多種類,每一種都具有不同的外觀和性質,而美國物理學家珀西·布里奇曼(Percy Bridgman)是第一個發現冰於高壓下至少有 6 種變態的科學家,其中一種即所謂的熱冰,融點高達 200℃。

至今我們已知水的固體狀態有 17 種不同晶體結構(根據壓力與溫度的不同產生變化),從冰 Ih、冰 II、冰 III 一直命名到冰 XVII(阿拉伯數字 17),而我們平常最熟悉的冰是「冰 Ih」。現在,美國勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)科學家新發現冰的第 18 種結構,命名為「冰 XVIII」。

整體實驗過程非常複雜,簡單來說,研究人員將水封裝在狹小空間內,接著使用 6 台巨大、高功率雷射儀器產生一系列衝擊波去「爆破」水分子,以大氣壓力 400 萬倍的壓力壓縮水,使其凍結成固態冰,同時於短短幾十億分之一秒內將水加熱到 1600~2700℃。

但由於這種極端壓力、溫度條件只能維持不到 1 秒鐘,科學家不確定是否形成新的結晶相,為了記錄並確定其原子結構,研究人員額外使用 16 道雷射脈衝撞擊一個微小鐵箔,使其蒸發並電離成熱等離子體後,以特定能量發射 X 射線,其中一些光子從內部晶體繞射,讓研究人員得以確定新的冰晶相確實形成。

X 射線繞射圖最終顯示出一種前所未見的冰結構:氧原子佔據在立方體結晶相的每個點、以及每個面的正中間,和此前 17 種結構都不同,因此團隊建議將新結構命名為「冰 XVIII」。

這個實驗將幫助我們更了解天王星、海王星和其他冰巨行星的內部結構,或許還有機會解釋這些行星擁有異常磁場的謎團,比如天王星和海王星的地表下某處可能埋藏大量冰 XVIII,進而影響它們的磁場。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

註:水、冰、水蒸氣三者的不同點,在於水分子相互之間的排列方式。

(首圖來源:勞倫斯利佛摩國家實驗室

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