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科學(xué)家發(fā)現(xiàn)奇怪黑色超離子冰或存在于其他行星的深處

來(lái)源：cnBeta.COM 2021-11-01 12:04:38

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利用高級(jí)光子源，科學(xué)家們重新創(chuàng)建了在海王星和天王星等行星中心形成的冰的結(jié)構(gòu)。每個(gè)人都知道水的三態(tài)：冰、液體和水蒸氣-- 但是，根據(jù)不同的條件，水實(shí)際上可以形成十幾種不同的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家們現(xiàn)在在名單上增加了一個(gè)新的階段：超離子冰。

這種類型的冰在極高的溫度和壓力下形成，例如在海王星和天王星等行星的深處。此前，超離子冰只在科學(xué)家發(fā)送沖擊波穿過(guò)水滴的短暫瞬間被瞥見(jiàn)，但在《自然-物理學(xué)》上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種可靠地創(chuàng)造、維持和檢查這種冰的方法。

研究報(bào)告的共同作者Vitali Prakapenka說(shuō)："這是一個(gè)驚喜--每個(gè)人都認(rèn)為這個(gè)階段不會(huì)出現(xiàn)，直到你處于比我們第一次發(fā)現(xiàn)它的地方高得多的壓力，"他是芝加哥大學(xué)研究教授和高級(jí)光子源（APS）的光束線科學(xué)家，高級(jí)光子源是美國(guó)能源部（DOE）科學(xué)辦公室在DOE阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的用戶設(shè)施。"但是我們能夠非常準(zhǔn)確地繪制這種新冰的屬性，這構(gòu)成了物質(zhì)的一個(gè)新階段，這要?dú)w功于幾個(gè)強(qiáng)大的工具。"

即使人類已經(jīng)窺探到了宇宙的開(kāi)端--并深入到構(gòu)成所有物質(zhì)的最小粒子--我們?nèi)匀徊涣私獾厍蛏钐幍降诐摬刂裁?，更不用說(shuō)我們太陽(yáng)系中的兄弟行星。科學(xué)家們只在地球表面下挖了大約7.5英里，然后設(shè)備就因極端的熱量和壓力而開(kāi)始融化。在這些條件下，巖石的行為更像塑料，甚至像水這樣的基本分子的結(jié)構(gòu)也開(kāi)始轉(zhuǎn)變。

由于我們無(wú)法實(shí)際到達(dá)這些地方，科學(xué)家必須轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)室，以重現(xiàn)極端熱和壓力的條件。Prakapenka和他的同事使用APS，這是一個(gè)巨大的加速器，它將電子驅(qū)動(dòng)到接近光速的極高速度，以產(chǎn)生輝煌的X射線束。他們將樣品擠壓在兩塊鉆石--地球上最堅(jiān)硬的物質(zhì)之間，以模擬強(qiáng)大的壓力，然后用激光射穿鉆石以加熱樣品。最后，他們發(fā)送一束X射線穿過(guò)樣品，并根據(jù)X射線在樣品上的散射情況，拼湊出內(nèi)部原子的排列。

當(dāng)他們第一次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，Prakapenka看到結(jié)構(gòu)的讀數(shù)與他所期望的大不相同。他以為出了什么問(wèn)題，出現(xiàn)了不必要的化學(xué)反應(yīng)，在這種實(shí)驗(yàn)中水經(jīng)常發(fā)生這種情況。"他說(shuō)："但是當(dāng)我關(guān)閉激光，樣品回到室溫時(shí)，冰又回到了它的原始狀態(tài)。"這意味著這是一個(gè)可逆的、結(jié)構(gòu)性的變化，而不是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)。

觀察冰的結(jié)構(gòu)，研究小組意識(shí)到它有一個(gè)新的階段在手。他們能夠精確地繪制其結(jié)構(gòu)和屬性。

Prakapenka說(shuō)："想象一下一個(gè)立方體，一個(gè)在四角有氧原子的晶格，由氫氣連接。當(dāng)它轉(zhuǎn)變?yōu)檫@種新的超離子相時(shí)，晶格會(huì)膨脹，允許氫原子四處遷移，而氧原子保持穩(wěn)定的位置。這有點(diǎn)像一個(gè)固體氧晶格坐在漂浮的氫原子海洋中。"

這對(duì)冰的行為方式產(chǎn)生了影響。它的密度變小，但明顯變暗，因?yàn)樗c光的互動(dòng)不同。但是超離子冰的全部化學(xué)和物理特性還有待探索。這是一種新的物質(zhì)狀態(tài)，所以它基本上是作為一種新的材料，而且它可能與我們想象的不同。

這些發(fā)現(xiàn)也是一個(gè)驚喜，因?yàn)殡m然理論科學(xué)家已經(jīng)預(yù)測(cè)了這個(gè)階段，但大多數(shù)模型認(rèn)為它不會(huì)出現(xiàn)，直到水被壓縮到超過(guò)50千兆帕的壓力（大約與火箭燃料引爆升空時(shí)的條件相同）。但是這些實(shí)驗(yàn)只是在20千兆帕的壓力下進(jìn)行的。

繪制不同階段的冰的確切條件，對(duì)于了解行星的形成，甚至在哪里尋找其他行星上的生命，都是非常重要的。科學(xué)家們認(rèn)為，海王星和天王星的內(nèi)部也存在類似的條件，宇宙中其他地方也有類似的寒冷巖石行星。這些冰的特性在一個(gè)星球的磁場(chǎng)中起著作用，這對(duì)其承載生命的能力有巨大的影響。地球的強(qiáng)大磁場(chǎng)保護(hù)我們免受有害的入射輻射和宇宙射線的影響，而貧瘠的火星和水星的表面則暴露無(wú)遺。了解影響磁場(chǎng)形成的條件可以指導(dǎo)科學(xué)家在其他太陽(yáng)系中尋找可能承載生命的恒星和行星。

還有許多角度需要探索，如導(dǎo)電性和粘度，化學(xué)穩(wěn)定性，當(dāng)水與鹽或其他礦物混合時(shí)有什么變化，就像它在地球表面下的深處經(jīng)常發(fā)生的那樣。

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