由阿尔贡国家实验室的路易丝·勒纳拍摄
信用:CC0公共领域
利用先进的光子源，科学家们重现了在海王星和天王星等行星中心形成的冰的结构
每个人都知道冰、液体和蒸汽——但是，根据不同的条件，水实际上可以形成十几种不同的结构
科学家们现在在清单上增加了一个新的阶段:超离子冰
这种类型的冰在极高的温度和压力下形成，比如像海王星和天王星这样的行星内部深处
此前，当科学家通过水滴发出冲击波时，超级冰只是在短暂的瞬间被瞥见，但在《自然物理学》上发表的一项新研究中，科学家找到了一种可靠地创造、维持和检查冰的方法
“这是一个惊喜——每个人都认为这个阶段不会出现，直到你处于比我们最初发现的压力高得多的压力下，”研究合著者维塔利·普拉卡彭卡说，他是芝加哥大学的研究教授，也是美国先进光子源(APS)的束线科学家
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能源部科学办公室在能源部阿贡国家实验室的用户设施
“但我们能够非常准确地绘制出这种新冰的特性图，这种冰构成了物质的一个新阶段，这要归功于几种强大的工具
" 即使人类已经追溯到宇宙的起源——一直追溯到构成所有物质的最小粒子——我们仍然不知道地球深处究竟潜藏着什么，更不用说我们太阳系的兄弟行星了
科学家们只在地球表面下挖掘了大约7.5英里，然后由于极端的热和压力，设备开始融化
在这种情况下，岩石表现得更像塑料，甚至像水这样的基本分子的结构也开始改变
芝加哥大学的维塔利·普拉卡彭卡说:“多亏了几个强大的工具，我们能够非常准确地绘制出这种新冰的性质，这构成了物质的一个新阶段。”
由于我们无法实际到达这些地方，科学家们必须求助于实验室来重建极端高温和高压的条件
Prakapenka和他的同事使用APS，这是一种巨大的加速器，可以驱动电子以接近光速的极高速度产生明亮的X射线束
他们将样品挤压在两片钻石(地球上最坚硬的物质)之间，以模拟强烈的压力，然后向钻石发射激光来加热样品
最后，他们发送一束X射线穿过样本，并根据X射线如何从样本中散射出来，拼凑出内部原子的排列
当他们第一次运行实验时，普拉卡彭卡看到的结构读数与他预期的大不相同
他认为出了问题，发生了不必要的化学反应，在这样的实验中，水经常会发生这种反应
他说:“但当我关掉激光，样本回到室温时，冰又回到了原来的状态。”
“这意味着这是一个可逆的结构变化，而不是化学反应
" 看着冰的结构，研究小组意识到它有了一个新的阶段
他们能够精确地描绘出它的结构和特性
普拉卡彭卡说:“想象一个立方体，一个在角落有氧原子通过氢原子连接的格子。”
“当它转变成这种新的超离子相时，晶格膨胀，允许氢原子四处迁移，而氧原子保持稳定在它们的位置上
这有点像一个固体氧晶格，坐落在漂浮的氢原子海洋中
" 这对冰的行为产生了影响:它变得不那么致密，但明显变暗，因为它与光的相互作用不同
但是超离子冰的全部化学和物理特性还有待探索
Prakapenka说:“这是一种新的物质状态，所以它基本上充当了一种新的材料，它可能与我们想象的不同。”
这一发现也令人惊讶，因为虽然理论科学家已经预测到了这一阶段，但大多数模型认为，直到水被压缩到超过50千兆帕的压力(与火箭燃料爆炸升空时的内部条件大致相同)时，这一阶段才会出现
但是这些实验只有20千兆帕斯卡
“有时候你会得到这样的惊喜，”普拉卡彭卡说
但是绘制不同冰相出现的确切条件对于理解行星的形成，甚至在其他行星上寻找生命都是非常重要的
科学家认为类似的情况存在于海王星和天王星的内部，以及宇宙中其他像它们一样寒冷的岩石行星
这些冰的性质在行星的磁场中起着作用，这对其容纳生命的能力有着巨大的影响:地球强大的磁场保护我们免受有害的外来辐射和宇宙射线的影响，而贫瘠的行星火星和水星的表面却暴露在外
了解影响磁场形成的条件可以指导科学家在其他太阳系中寻找可能存在生命的恒星和行星
Prakapenka说，还有很多角度可以探索，比如电导率和粘度、化学稳定性、当水与盐或其他矿物质混合时会发生什么变化，以及水在地球表面深处经常发生的变化
“这应该会刺激更多的研究，”他说
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