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4700 摄氏度的黑色“超离子冰”不仅存在,还可能

来源:三牛平台-三牛娱乐-三牛网站 | 发表日期:2019-06-04

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  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。

  

4700 摄氏度的黑色“超离子冰”不仅存在,还可能

  图片来历:@iammoteh

  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。

  

4700 摄氏度的黑色“超离子冰”不仅存在,还可能

  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。

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