極端條件下的黑色超離子冰,物理學家終於看到確切結構與特性

作者 | 發布日期 2021 年 11 月 01 日 14:11 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


水是維持生命不可或缺的資源,而它能展現的形式與面貌也比我們想像中還多,比如可能存在於天王星、海王星等冰巨星深處的黑色超離子冰。最近,科學家成功利用先進光子源實驗重建了這些巨星上的冰結構,試圖釐清它們如何凍結成超離子狀態。

大家都知道水能以固態、液體或氣態形式表現,然而根據環境溫度與壓力條件不同,固態冰實際上能形成高達 19 種不同結構(分子堆疊形狀),其中一種極端型態為超離子冰(superionic ice),它就像液體和固體合二為一。

雖然模型已經預測了超離子冰相出現的條件,但若要指出精確溫度又有點含糊不清,只能靠實驗幫助確定液態與超離子狀態的變化路徑,然而不同實驗方法的觀察結果又存在巨大差異,因此想獲得可信度高的結論始終是個挑戰。

通常,水必須承受至少 50GPa 壓力(在地球大氣層下承受的力之 50 萬倍)並以高功率雷射加熱,才能看到接近超離子冰的存在,因此,當阿貢國家實驗室的先進光子源(Advanced Photon Source,APS)同步加速器展開實驗、以相對溫和的 20GPa 擠壓並加熱夾在兩片鑽石中間的水分子時,研究團隊並沒有抱多大期望。

結果驚喜就出現在研究人員眼前了。

根據 X 射線從樣品上散射的方式,研究人員可以拼湊出內部原子的排列,而這場實驗讓團隊精確繪製出超離子冰的結構與特性。

從理論來講,其內部水分子排列為氧原子被周圍不安定的氫原子包圍著,想像有個立方體轉變為超離子相時,晶格會膨脹使氫原子四處遷移,而氧原子則穩定保持在中間位置,就像漂浮在氫原子海洋中的固態氧晶格。

事實也證明,超離子冰出現條件比模型預估的還要溫和,由於這些冰能影響一顆行星的磁場,釐清超離子冰的確切特性將有助於在其他行星尋找生命。

對科學家來說,超離子冰還有大量研究尚須鑽研,包括它們的電導率、黏度、化學穩定性、與鹽或其他礦物質混合時會發生的變化等。新論文發表在《自然物理學》(Nature Physics)期刊。

(首圖來源:芝加哥大學