超热的“超离子”冰是一种新的物质状态

　　科学家们刚刚在两颗钻石之间挤压出一个水滴，并用世界上最强的激光之一将其喷到恒星般的温度。结果出现一个新的神秘的水的阶段。 这种被称为超离子冰的“奇怪的黑色”水存在于与地球中心相同的压力和温度下，这一事实很快就会帮助研究人员调查埋藏在其它世界核心内的秘密。

　　此前，研究人员使用冲击波在这种奇怪的冰块溶解前仅持续了 20 纳秒。这项新实验标志着科学家们首次创造出稳定的超离子冰，其持续时间足以进行详细研究。研究人员于 10 月 14 日在《自然物理学》杂志上发表了他们的发现。

　　“这是一个惊喜——每个人都认为这个阶段不会出现，除非你处于比我们最初发现它的压力高得多的压力下。”该研究的合著者、芝加哥大学地球物理学家和高级光束线科学家 Vitali Prakapenka阿贡国家实验室的光子源在一份声明中说。

　　液体、蒸汽和冰是水最常见的相，但水分子也可以进入代表不同相的其它排列。事实上，科学家已经确定了水冰的20个阶段——在不同的温度和压力下，键合的氢原子和氧原子可以以不同的方式堆积。

　　例如，冰 VI 和冰 VII 的分子分别排列成矩形棱柱或立方体。据 Live Science 先前报道，如果将冰 XI 放置在电场内，它会翻转，而冰 XIX 很脆，只有氢原子形成规则模式。

　　超高温高压超离子冰是有待发现的第 18 相冰，也是迄今为止最奇怪的冰之一。这是因为它的氧原子像在固体中一样锁定到位，但它的氢原子在放弃电子后，变成了离子——原子核失去了电子，因此带正电——它们像流体一样自由地流过冰。

　　“想象一个立方体，一个在角落处由氢连接的氧原子的晶格。”普拉卡彭卡说。“当它转变为这种新的超离子相时，晶格会膨胀，使氢原子四处移动，而氧原子在其位置上保持稳定。这有点像漂浮在氢原子海洋中的固体氧晶格。”

　　这些游动的氢原子以可预测的方式阻止光线穿过冰层，使其呈现黑色。

　　由萨萨里大学化学教授 Pierfranco Demontis 领导的一个小组于 1988 年首次提出了超离子冰存在的理论，加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员在 2018 年发现了它的第一个证据，Live Science 先前报道。通过用激光产生的高压冲击波喷射水滴，研究人员达到了超离子冰瞬间出现所需的温度和压力——他们甚至测量了冰的电导率，并在超离子冰融化前的几纳秒(十亿分之一秒)内瞥见了它的结构。

　　为了进行更详细的测量，普拉卡彭卡和他的同事需要以更稳定的形式制造冰。因此，他们用 0.2 克拉的钻石砧挤压水滴，并用激光对其进行轰击。钻石的硬度允许铁砧将水滴加压到地球大气压的350 万倍，激光将其加热到比太阳表面还热的温度。然后，该团队使用称为同步加速器的电子加速装置向液滴发射 X 射线束。通过测量冰内部原子散射的 X 射线的强度和角度，研究人员确定了超离子冰的结构。

　　与冲击波实验相比，这种方法为研究人员提供了更长的时间范围——在微秒（百万分之一秒）范围内——来观察他们的冰。这一额外的时间意味着他们可以准确地绘制出水滴转变为超离子冰时的不同相变。

　　进一步的研究可以帮助科学家更好地了解冰的特性，并绘制出自然界中不同冰相发生的条件。由于自由漂浮的氢离子可以产生磁场，研究人员想知道超离子冰是否被埋在海王星和天王星等行星的核心中，或者被困在木星卫星木卫二的冰冻海中，木卫二有一个冰壳。如果是这样，冰可能会在围绕这些世界或太阳系以外的外星世界的磁层的感应中发挥关键作用。反过来，由于磁层负责保护行星免受有害的太阳辐射和宇宙射线的伤害，因此了解超离子冰的形成方式和位置可以成为科学家寻找外星生命的极其有用的指南。

　　目前，新冰的更多特性有待探索，包括其导电性、粘度和化学稳定性——对于预测奇怪冰可能在其它地方形成的位置的关键信息。

　　“这是一种新的物质状态，所以它基本上是作为一种新的材料，它可能与我们想象的不同。”普拉卡彭卡说。