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!

藝術家對超離子冰的想像圖。圖片來源: Lawrence Livermore National Laboratory

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。

製作出超離子冰的儀器。圖片來源:Lawrence Livermore National Laboratory

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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