咱们了解的冰都是无色通明的纯洁固体，但在极点温度、压力条件下，冰可以呈现出全然不同的相貌。30 多年前，就有物理学家预言，水可以以一种共同的超离子冰晶存在。最近，在一项宣布于《天然》的论文中，这一猜测总算得到了证明：这种熔点高达 4700 摄氏度的黑色“超离子冰”不只存在，还或许是太阳系中含量最高的水的形状之一。

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在罗切斯特大学的激光力学能试验室，科学家用国际上最强壮的激光之一对准了一滴水。激光发射，构成的冲击波让水滴的压力到达了大气压的数百万倍，温度也升高升至几千摄氏度。X 射线瞬间穿越水滴，让人类目击到一幅前所未见的画面。

经过X射线，科学家了发现，水在这种极点条件下呈现出全新的形状！冲击波里的水并没有成为过热液体或气体，而是凝结、结晶成冰。研讨证明了具有独特性质的水的新相位——“超离子冰”（superionic ice）的存在。不同于咱们见过的冰，超离子冰是黑色的，温度相当于太阳外表温度的一半，密度也是一般冰的 4 倍。

研讨成果宣布在近期的《天然》上，加州劳伦斯利福摩尔国家试验室的马里厄斯·米约（Marius Millot）与费德丽卡·科帕里（Federica Coppari）协作领导了这项试验。

早在 30 多年前，就有物理学家提出超离子冰的概念。虽然直到现在才现出原形，但科学家以为这也许是国际中含量最丰厚的水的形状之一。至少，超离子冰或许在太阳系中广泛存在，它们在天王星和海王星的内部含量丰厚，比地球、木卫二和土卫二的海洋中的液态水还要多。超离子冰的发现揭开了存在数十年的冰巨星成分之谜。

冰的 18 种结构

现在，科学家发现冰包含了 18 种晶体结构。其间，咱们最了解的、水分子依照六边形摆放的一般冰晶被命名为“冰 1h”。除冰 1（有两种方法：冰 1h 和冰 1c）以外，其他的冰晶依照 2~17 编号。

依照编号次序，此次发现的全新冰晶结构为冰 18。此前发现的所有水冰都是由完好的水分子构成的，每个水分子中都由一个氧原子与两个氢原子相连。但超离子冰并非如此，它的形状结构游走于某种超实际主义的边际：部分是固体，部分是液体。单个水分子会割裂，氧原子构成一个立方晶格，但氢原子可以像液体相同自由地流过氧原子的牢笼。

超离子冰的发现证明了此前核算机的猜测，能协助资料学家创造出具有特定性质的未来资料。但想要发现这种冰，需求极快的丈量、精准调控温度和压力等先进的试验技能。“这些发现在 5 年前看仍是遥不行及的，这必定将发作巨大的影响。”发现了冰 13、冰 14 和冰 15 的伦敦大学学院物理学家克里斯托夫·萨尔兹曼（Christoph Salzmann）说道。

预言超离子冰

1988 年，意大利物理学家皮耶尔弗兰科·德蒙蒂斯（Pierfranco Demontis）领导的一项研讨经过核算机模型，初次猜测出这种独特、近乎呈金属态的结构。

模仿成果显现，在极点的压力和温度条件下，水分子会分裂。氧原子被锁定在立方晶格中，氢原子电离成为带正电的质子，它们从一个方位跳到另一个方位，然后持续跳到下一个。。。。。。因为速度太快，它们仿佛像液体相同活动。

依照这个模型，这意味着冰 18 可以导电，而氢原子则扮演电子的人物。疏松的氢原子排布使得冰 18 的熵值进步，使其稳定性高于其他冰晶结构，从而导致熔点急剧上升。

这一切很简略去幻想，但很难令人彻底服气。第一个模型使用了简化的物理办法，而后续的模仿加入了更多的量子效应，但仍回避了描绘多个量子体相互作用所需的方程。这些方程核算难度相当大，所以他们许多依赖于近似，这使模仿成果的准确性大大下降。与此同时，假如不发作满足的热量来消融这种耐寒的物质，试验就无法发作必要的气压。

行星科学家也提出了自己的猜测：水或许有一个超离子冰的相位。就在科学家初次预言冰 18 时，“旅行者 2 号”飞船进入外太阳系，发现了两颗冰巨星——天王星和海王星磁场的古怪现象。

天王星与海王星的磁场（图片来历：科罗拉多大学）

除了天王星和海王星外，太阳系中其他行星的磁场结构简略、具有明晰的南极和北极。这就好像它们的中心只要条形磁铁，与旋转轴平行。行星科学家把这归因于“发电机”：当行星旋转时，内部导电液体发作对流，构成巨大的磁场。

相比之下，天王星和海王星的磁场更为杂乱。它们的磁场有多个极，自转方法也都比较特别。有一种或许性是，担任这两颗冰巨星“发电机”作业的导电流体被禁闭在它们的薄外壳，而不是向内部进入中心。

之前科学家一向以为，因为固态中心是无法构成“发电机”的，所以“这些行星或许存在固体内核”的主意好像也并不实际。假如你在这些冰巨星上打钻，首要会看到一层离子水，它会活动、会导电，参加发电机的作业。所以咱们想当然地以为，基层更深的物质，在更热的温度下，也肯定是液体。约翰·霍普金斯大学的萨拜因·斯坦利（Sabine Stanley） 说：“我曩昔常常恶作剧说，天王星和海王星的内部实际上是不行能是固态的。但现在的事实证明，它们还真或许是固态的。”

发现依据

现在，科帕里、米约的研讨总算将这些琐细的依据拼在了一同。

在上一年 2 月宣布的一项试验中，他们发现了冰 18 存在的直接依据。研讨者把一滴处于室温的水挤入两颗切割好的钻石的顶级之间。将压强进步到 10 亿帕斯卡（大约是马里亚纳海沟底部压力的 10 倍），这时水滴变成四方晶体，也便是冰 6。压强进步到 20 亿帕斯卡后，水滴又变成了一种更细密的通明立方形状——冰 7，科学家最近在天然钻石内部也发现了冰 7。

 

然后，在激光能量学试验室，米约和他的搭档用 OMEGA 激光瞄准了仍夹在钻石砧之间的冰 7。当激光击中钻石外表时，蒸腾的物质向上移动，将钻石朝相反的方向推，冲击波穿过了此刻的冰。研讨团队发现，这时冰的熔点在 4700 摄氏度左右，这与超离子冰的预期熔点是相同的；并且因为带电质子的运动，超压冰的确可以导电。

跟着对冰 18 性质的猜测得到证明，研讨团队开端剖析冰 18 的结构。萨尔兹曼说：“假如想证明某种物质是晶体，你需求进行X射线衍射。”

他们的新试验跳过了冰 6 和冰 7，仅仅用激光冲击了钻石之间的水滴。十亿分之一秒后，跟着冲击波穿过，水开端结晶成只要纳米巨细的冰立方。科学家们又用 16 束激光蒸腾了样品周围的薄铁片，发作的热等离子体向结晶的水中注入 X 射线，冰晶使 X 射线发作衍射，使晶体的结构明晰可辨。

X 射线衍射试验相片。（图片来历：Millot， Coppari， Kowaluk）

水中的原子重新摆放，总算构成了这个好久前就被猜测，却从未现身的晶体结构：一个立方晶格，每个旮旯和每个面的中心都有氧原子。

“这个相位的存在并不是量子分子动力学模仿的产品，而是实在存在的——这十分令人欣慰。”法国物理学家利维娅·博韦（Livia Bove）说。

新的剖析还暗示了某些信息，虽然冰 18 的确能导电，但它呈糊状的固态。它会随时刻而活动，但不会真实翻腾。在天王星和海王星内部，流体层或许会在 8000 千米深处中止活动，在那里，冰 18 构成的幔部将大多数发电机的运转约束在浅层，这就导致了非比寻常的磁场。

太阳系的其他行星和卫星内部并不具有生成冰 18 所需的极点温度和压力。但许多系外的冰巨星或许存在冰 18，这表明这种物质或许在整个银河系的冰国际中普遍存在。

当然，没有哪颗行星只由水构成，太阳系中的冰巨星中也混合了甲烷和氨等物质。斯坦利说，天然界中，超离子的呈现“取决于当咱们把水和其他物质混合时，这些相是否依然存在。”虽然其他研讨人员以为超离子氨也应该存在，但到现在为止这还无法承认。

除了将研讨扩展到其他资料，研讨团队还期望将要点放在超离子晶体古怪的、几乎是对立的对偶性上。捕捉氧原子的晶格“显然是我做过的最具挑战性的试验”，米约说。他们还没有看到质子在晶格的空隙中好像鬼魂般活动。“从技能上讲，咱们还没到达那个水平，”科帕里说，“但这个范畴开展得十分快。”或许不久后，超离子晶体的结构与性质将愈加明晰。