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科学家发现了一种新形态的水,它同时是液体和固体

Kenneth Chang2018-02-09 13:37:34

有事实证明,长期以来被认为存在于天王星和海王星的超离子冰确实存在,这一发现有利于促进新材料的开发。

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

科学家已经证实,有一种水既是固体同时也是液体,堪称水研究领域取得的最新进展。这种物质看似简单,但可以在多种构型中切换。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)物理学家马吕斯·米勒(Marius Millot)说:“那真的是一种很奇怪的物质形态。”周一,米勒作为第一作者在《自然·物理学》(Nature Physics)期刊上发表了一篇论文,介绍了相关实验。

这种新形态的水被称为超离子水(superionic water),带正电荷的氢核在氧原子组成的刚性点阵中移动,形成了这种物质。就目前已知的情况来看,它并不属于地球上自然存在的物质,但太阳系中更远的地方可能大量存在这种物质,比如天王星和海王星的内部。

水分子是一种简单的分子,它由两个氢原子和一个氧原子组成,结构通常呈 V 字形。在地球上常见的冰中,V 字结构是中空的。(这也是水不同于其他物质、结冰后反而会膨胀的原因之一。)

研究人员使用激光脉冲研究超离子水。这种物质既是固体同时也是液体。图片版权:M. Millot/E. Kowaluk/J.Wickboldt/LLNL/LLE/NIF

受到挤压时,氢原子和氧原子会挤成其他晶体结构。目前科学家们已经发现了超过 12 种不同形态的冰。

30 年前,理论家首先提出假设,认为高压高温状态下可能存在超离子水。高温熔化了氢原子和氧原子之间的化学连接,高压则让更大、更重的氧原子组成了稳定的结晶排列结构(固体),并让氢核或者说氢离子开始流动(液体)。

这样一来,这种物质就拥有了和金属一样的导电能力,但是电流是通过带正电荷的离子而非带负电荷的电子传送的。

《自然·物理学》论文的另一作者、加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)地球与行星科学教授雷蒙德·让罗斯(Raymond Jeanloz)说:“这就好像一部分冰融化后形成的冰水混合物。”

新的实验中,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们首先用两片金刚石施加每平方英尺 36 万磅的压力,对水进行了挤压。这股压力相当于地球表面气压的 2.5 万倍左右。这时,水会进入一种被称为“冰七”(ice VII)的状态,密度比普通的水高约 60%,在室温下为固体形态。每一个金刚石压砧都含有约七百万分之一盎司的水。

随后,研究人员把压缩好的冰打包放进随身行李中,带到罗切斯特大学(University of Rochester),在那里用激光脉冲进行轰击。形成的冲击波在 10 至 20 纳秒的时间内穿过冰块,将它加热到几千度,并对它施加比地球大气压大超过一百万倍的高压。这些条件恰好存在于天王星、海王星,以及其他恒星周围的冰巨行星内部。

科学家认为,我们或许可以在海王星(如图)或天王星内部找到超离子水,这也解释了为什么这些星球会出现磁场不平衡的现象。图片版权:NASA

其他团体已经在早先的实验中制造出了具有导电能力、可能是超离子导体的水,但那些科学家并不确定电流是否是由离子而非电子传送的。这一次,米勒博士和他的同事拍下了这种冰的光学外观。如果是电子在移动,这种冰就应该是反光的。(这也是金属闪闪发光的原因。)然而,他们得到的冰却是不反光的,这说明移动的是离子,也就是说,这是一块超离子冰。

这块超离子冰在约 8500 华氏度时融化成了液体。

普林斯顿大学化学教授罗贝托·卡尔(Roberto Car)说:“这是个很令人惊艳的实验,而且结果和理论以及计算预测相一致。”

超离子冰可以解释太阳系第七和第八大行星天王星和海王星磁场不平衡、偏离中心的现象。1980 年代,NASA 的旅行者 2 号(Voyager 2)飞船曾短暂造访过这两颗冰巨行星。地球的磁场是在星球核心产生的,而这些冰冻天体的部分磁场可能是在行星深处超离子冰的外壳内产生的。

让罗斯说,实验与预期结果相一致,说明科学家对分子在不同温度和压力下通常会产生怎样的变化有了一定的理解,并且已经能够把相应的物理理论应用到实际中去了。

“一旦人们开始验证这类预测,它会给人一种‘我们可以考虑开发新材料’的希望,”让罗斯说,“告诉我你想要什么性能,有人现在就能用电脑指出,你得把什么类型的材料、什么类型的元素放到一起,以及它们该如何放到一起,才能得到这些性能。”

卡尔博士也是使用计算机模拟探索超离子冰的科学家之一。他说,因为在更高的压力下氧原子排列出的晶体结构也不同,可能存在几种类型的超离子冰。虽然检验这点并非易事,但理论被人验证这点已经让他相当感动。

他说,“我总是为实验者的足智多谋感到惊讶,”他们能够为创造极端条件设计方法,制造出超离子冰这样的东西,还能想出巧妙的方法来证实结果。


翻译:熊猫译社 钱功毅

© 2018 THE NEW YORK TIMES

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