什么？！冰块居然有10000°C！

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这听起来很疯狂，但研究人员确实成功制造出了“炙热的冰块”：一种在数千度高温下仍保持冻结的“水”！物质处于这种所谓的“超离子态”时所呈现的惊人特性令物理学家都坐不住了……

撰文 | Fabrice Nicot编译 | 陈煜炯

这简直像是在太阳表面找到了冰块一样！

绝非《蝙蝠侠》里急冻先生那种“昙花一现”的水准，而是货真价实的“炙热”冰块：只有温度超过10000℃才会融化……没错，这种数千度的冰块并不是在冰柜中形成的。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的一支研究团队借助极为复杂的实验仪器历时4年才造出这种冰块……第一步是用名为“金刚石压砧”（diamond anvil cell）的设备将超纯水压缩。

金刚石压砧

这种设备像一台缩小版的压力机（长不足1毫米），可以将水锁在不会形变的金刚石之间。压强可达25亿帕斯卡，差不多是标准大气压的25000倍，使液态水在25℃时就变成固态冰……已经觉得很奇特了？惊人的远不止于此。水并非只在零度冻结在常温下，水分子做无规则运动，运动幅度随温度升高而加剧——这样的水是液态的。

只有在温度达到0℃时水分子运动才会缓慢到足以在水分子间形成更坚固的连接，从而固定它们的相对位置，由此形成了冰。但只有处于标准大气压下水才在0℃结冰。只要改变压强，就能改变水结冰的温度。

在金刚石压砧中的水分子受巨大压力驱使而相互靠近并产生坚固的连接，在常温下就能结冰。然而这样形成的冰与普通冰块的相似之处仅限于外观：前者的水分子排列更紧密，密度比后者高出60%……压缩并用激光加热

直到这一步，研究人员仍在前人已知的领域。若是施加百倍的压力并将水加热到至少1700℃，得到的冰块就可以在极端温度下仍保持固态——至少物理学家是这样预测的，因为所谓的“超离子冰”之前只存在于理论中，直到劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究团队首次观测到它。

制造超离子冰需要使用激光，更确切地说是六束激光。研究人员把置于金刚石压砧中的纯水冰送至美国罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE），并将整个设备放置在一个直径3.3米的球体中央，随后令两块金刚石之间的冰块受到6束紫外激光的照射。照射只持续了1纳秒（10亿分之一秒），但已足够对其中一块金刚石输出骇人功率（高达1万亿瓦）。

这一超高功率被转化成穿透冰块的冲击波，对冰块实现了进一步压缩，使其承受的压强达到大气压的200万倍！除了极大的压强，激光提供的能量同时会显著提高冰块的温度，至少达到1700℃！这就是制备超离子冰所需的条件……遗憾的是，整个实验只能持续20纳秒，金刚石压砧和超离子冰在冲击波通过后几乎即刻气化。可以导电的冰块

因此研究人员可以观测超离子冰的时间转瞬即逝。

但他们还是成功“看到”了超离子冰，凭借另一套使用激光的复杂设备，只不过后者的激光是用于照明的。他们还使用了一台超高速照相机，每20皮秒（1皮秒等于10^-12秒）可以拍一张1000像素的照片。这真是一台各种意义上超标的设备，但物有所值。得益于这台设备，研究人员成功发现了超离子冰导电的秘密。没错，在超离子态下，冰可以导电！想象一下，用冰块取代铜线连接灯泡和电池，灯泡居然能点亮！

但这怎么可能？在金属（例如铜）中，电流是随着绕原子核旋转的电子运动而产生的。水分子中包含10个电子，其中每个氢原子各含1个电子，氧原子含8个电子。这些电子离开了原子核从而产生了电流吗？不对。证据是实验中超离子冰本身没有发光。通过电子的移动来导电的材料会反射光线，由此呈现出某种光泽，就像铁或铜那样。因此如果在超离子冰中导电的是电子，用于照亮冰块的激光应当会被反射。而实际情况是它被吸收了，所以并不是电子在导电。那到底是什么在导电？跃动的质子

其实早在进行试验之前，研究人员对这个问题的答案就已经有所猜想。毕竟关于超离子冰的理论研究已通过计算机模拟进行了将近30年。

根据对应的模型，冰在这些实验条件下并不会释放电子，却会释放水分子中的氢原子。更准确地说，是失去了电子的氢原子：只剩下质子，也就是组成氢原子核的带正电粒子。

在被压缩到极致的超离子冰中，水分子之间的化学键非常短。在上图中可以看到绿色的氢原子与相邻两个氧原子的距离几乎相等

因为大量质子在冰中移动，而质子也被物理学家称作“氢离子”，因此这种冰块才被命名为“超离子冰”。但为什么通常与氧原子连接在一起的氢原子会突然脚底抹油呢？为了更好地理解这个现象，需要更进一步观察冰块。在原子层面，冰是一种结晶固体：组成它的所有分子按照一定规律排布，就像水果摊上整齐排列的橘子一样。在冰从一种形态变到另一种的过程中，其分子的排布方式会发生变化。当我们大幅增压时，会迫使分子按照体心立方结构排布。在这种特殊的排布中，分子之间距离很近，因此有些氢原子可以在相邻水分子之间移动。

A 与氢原子在同一个水分子中，以共价键相连；B 则与氢原子以氢键相连

氢原子离B 的距离如此之近以至于它能舍弃电子，以质子的形式从A 运动到B

除了压强外，温度提高带来的能量也会使水分子自行旋转。一眨眼，氧原子B 的旋转使得质子朝向了另一个氧原子C

结果质子就与C 连在了一起.许多质子在同时进行一样的运动。电子在金属（例如铜）中移动能产生电流，质子在水分子间的类似移动赋予了超离子冰导电的能力。

氢原子在移动过程中舍弃了原有的电子，从而成为流动的质子。在超离子冰中，这一现象更为显著：更大的压强使分子间的距离进一步缩小，极端高温又提供了莫大的能量，于是所有质子都站上了跑道……磁化天王星与海王星

水分子中的氧原子仍旧按照原先的方式排布，而质子已然在中间跑了起来。

这些可以四处溜达的带正电粒子是超离子冰可导电的原因。超离子冰在实验室中的制备和观测除了证实理论预测外，还有助诠释27亿千米外天王星和海王星内部的一个谜题！这两颗星球主要由水组成（占到总质量的65%）。根据它们的大小（天王星直径约51000千米，海王星直径约49000千米），物理学家估计只需探入这两颗星球极为稠密的大气层中8000千米左右，就能找到可使超离子冰存在的温度和压强条件。

海王星蓝色的云层中是否藏着超离子冰？

研究人员进而猜想天王星和海王星内部是厚实的超离子冰构成的固定地幔，其表层由于压强较小而更接近流体。这种结构或许可以解释这两颗星球极为特殊的磁场：它们不像地球那样拥有两个磁极，而是四个！要想了解更多，还需细化劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行的试验。事实上，天王星和海王星并非由纯水构成，它们还含有氨、甲烷……如果加入这些杂质，超离子冰的表现会有什么不同？为了探究个中奥秘，进一步的试验已经纳入日程。

本文经授权转载自微信公众号“新发现杂志”。

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