冰塊在兩千度時會變成黑色，太陽系的「超離子冰」居然比地球上的海水還多！

我們熟悉的冰，都是無色、透明、冰冷的固體，但你能想像，在某些條件下，冰塊會變黑色，溫度高達上千度嗎？

在 30 年前，就有物理學家預言，在極端溫度、壓力之下，冰會形成一種超離子冰晶。這個預言，最近在美國羅徹斯特大學的實驗中得到證實，並刊登在《自然》期刊中。這是個溫度高達攝氏兩三千度的黑色超離子冰，而且它可能是太陽系中，含量最高的水的型態。

除了常見的冰，自然界中有多達十幾種的冰晶

早在 30 多年前，物理學家就提出超離子冰（superionic ice）的概念。我們平常看到的透明、冰冷的冰塊，是在常壓下（1 大氣壓）所呈現的狀態，水分子會用六邊形的形狀排列。這種普通的冰晶，科學家將它編號為「冰 1h」。除了冰 1 之外，科學家發現的其餘冰晶結構，就按照 2 到 17 來編號。依照順序，這次羅徹斯特大學發現的全新冰晶就被命名為「冰 18」。

以前科學家發現的冰，都是由完整的水分子構成的，也就是 2 個氫原子和 1 個氧原子，藉由共價鍵結合成 1 個水分子，每個水分子間是獨立的；然而超離子冰是氧原子形成立方晶格，但氫原子可以像液體一樣，自由的在整個晶體內流動。

科學家預言超離子冰的存在：氫原子自由流動，具有導電性

在 1988 年，義大利物理學家 Pierfranco Demontis 透過電腦模型，首次預測出超離子冰的存在。根據電腦模擬結果，在特定的溫度與壓力條件下，水分子會瓦解，氧原子形成立方晶格，氫原子則是在晶格間自由移動。

在一般的金屬中，電子可以自由在原子間移動，因此金屬具有導電性；在超離子冰中，氫原子也可以自由移動，而氫原子是帶正電子的質子，因此超離子冰可以導電。

此外，行星科學家也猜測，水或許有超離子冰的相位，因為旅行者 2 號探測器經過天王星和海王星時，發現這兩個行星的磁場，與其他行星與眾不同。

太陽系中其他行星的磁場，都具有明確的雙極，相當於行星中心有跟棒狀磁鐵。由於行星自轉會帶動內部導電液體旋轉，因此帶電粒子流動產生電流；由於電流的磁效應，產生了行星的磁場。

但天王星和海王星的磁場具有多極，自轉方式也不同於其他的行星。由於那兩個行星含有大量水分子，科學家猜測，行星內部具有超離子冰的存在，以產生怪異的磁場。

科學家用高能 X 射線，成功做出超離子冰

雖然超離子冰已經被科學家預測，但要真的做出這種冰，需要精準的調控溫度和壓力，並且要有極快的測量儀器，才能觀測他們的存在，在幾年前，儀器技術的限制讓科學家無法觀測這種冰。然而近期，羅切斯特大學雷射實驗室的科學家用高能 X 射線，讓水滴壓力達到數百萬大氣壓，溫度也上升到數千度。這時候，科學家看到前所未見的畫面。

這個前所未見的畫面就是超離子冰，也就是「冰 18」的結晶樣態。超離子冰是黑色的，溫度高達兩三千度，約太陽表面溫度的一半，密度是普通冰塊的 4 倍。這個實驗證實了超離子冰的存在，科學家將該發現發表到《自然》期刊上。

天王星、海王星的怪異磁場，源自於內部的超離子冰

超離子冰的發現，解釋了天王星和海王星的怪異磁場成因。天王星、海王星內部具有液態的導電物質，但由於強大的壓力，流體層會在 8000 公里的深度固化，因此該行星具有半徑厚達 1.6 萬公里的固態內核，而冰 18 構成的地幔被限制在淺層。由於該行星的發電層位於淺層，因此產生怪異的磁場。

除了天王星和海王星，太陽系內的其他行星和衛星內部並不具備生成冰 18 所需的溫度和壓力；儘管如此，天王星、海王星內部的冰 18 含量十分豐富，超越地球上的液態水。科學家認為，冰 18 是整個太陽系中，含量最多的水的樣態。

科學家成功做出超離子冰後，下一步就是探究它的特性。實驗主導者之一 Marius Millot 表示，目前還沒有觀測到質子在晶格間的流動，或許不久之後，整個超離子冰的架構將愈來愈清晰，人類對宇宙的認識也更近了一步。

參考資料來源：
1. 《Nature》：〈Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice〉
2. 《Quanta Magazine》：〈Black, Hot Ice May Be Nature’s Most Common Form of Water〉
3. 《環球科學》：〈两千多度时，冰变成了黑色〉
（本文提供合作夥伴轉載。首圖來源：Lawrence Livermore National Laboratory）

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