水在2000℃高溫下竟可以結冰?科學家發現水的第20種形態:冰十八

song 2022/03/25 檢舉 我要評論

不知道大家第一回用高壓鍋的時候是不是都是膽戰心驚地,看著往外噴湧的白氣,生怕它下一秒就炸了。

這噴湧的白氣正是水在高溫的激勵下轉化成 蒸汽的一種表現。我們都知道,水有 三種形態固態的冰液態的水氣態的蒸汽。其中液態水作為生命之源,塑造了地球萬物。

然而如果你只認為「水」僅有這三種形態那就大錯特錯了,僅僅是冰,在此之前我們就曾知道17種結晶態。不過這個數字在2019年和2020年先後更新成了 18種19種(加上液態與氣態,水的形態則是變成了 20種21種)。

其中 第18種冰(第20種水)的溫度可以高達 2000℃,被稱為「 冰十八」,第19種冰則是我國科學家發現且證實的。

看到這裡你可能會十分疑惑:「 水在0℃結冰100℃蒸發,這是誰都知道的道理,怎麼會蹦出一個2000℃的冰呢?」

實際上我們之所以擁有這個常識,是因為我們生活在 標準大氣壓的環境下。如果氣壓改變,水的一些性質就會發生變化,就像是高原上氣壓低沸點可能只有八九十度。

那麼相應的,如果氣壓高,那麼水的沸點乃至冰的融點都會提升,如果氣壓足夠高,水將會變成一個我們無法想像的狀態,就像是上面說的溫度高達2000℃的冰十八。

或許你可能想不到,這種「無法想像」的水可能 廣泛分佈在我們的太陽系

來自旅行者2號的異常

1986年1月24日,美國 旅行者2號81400公里的距離飛躍 天王星。在最近接天王星的兩個小時裡,旅行者2號仔細研究了天王星系統,成功發現了兩個環形系統和11個新的衛星。

然而,其攜帶的「 磁場強度計」顯示的資料卻讓研究人員十分疑惑。

按照我們一般的理解,星球的磁場一般會有南北兩極,像是地球磁場就擁有 南磁極北磁極。而根據旅行者2號傳回來的資料,天王星的磁場極為複雜,並非僅有南北兩極,而且與其自轉方向也不一致。

木星磁場

同樣的現象也出現在 海王星身上。這似乎意味著兩顆巨星氣態星球的「發電機」運轉的電流並非運轉於地核內,而是被禁錮在星球的薄外殼中。

為了解釋這種反常的現象,科學家們在 1988年首次預測了在天王星和海王星這種富含水的行星內部,由於極端壓力和極端溫度的存在,冰會變成一種反常的狀態——冰十八。

冰十八

「冰十八」是一種冰存在的形式,它是一種 超離子導體,和此前所有已知的水冰有所不同,它部分呈現固態,部分呈現液態,原本的水分子瓦解,氧原子構成一個立方晶格,氫原子可以自由流動穿過晶格。

可以打個比方,原本的水分子是由 一個氧原子拉著 兩個氫原子組成,我們可以將氧原子視作父親,兩個氫原子視作女兒。在極端壓力下,氧原子與氫原子拉著的手被迫放開,為了保護女兒們的安全,氧原子們手拉著手組成了一個小房間,為氫原子組成了活動的空間。雖然結構變了,但是由於氧原子和氫原子的數目沒變,我們還認為它是一種水。

科學家們認為,正是冰十八廣泛存在於天王星、海王星的地幔中,才導致這兩顆星球的磁場異常。而且,這種形態的水在太陽系內的含量可能 超過其他所有星球其他形態的水,包括地球、小行星帶等星球上的液態水和固態冰。

雖然科學家1988年就預測了冰十八的存在,但是直到2018年,科學家才從地球深處的鑽石中觀測到了 冰7存在的證據。

顯然,單靠地球的能力我們可能永遠無法觀測到 自然狀態下的冰十八,因此,科學家打算擼起袖子自己幹。

在2019年5月8日,一篇發表自《自然》雜誌的文章指出,來自美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學家們成功在 高能鐳射X射線的説明下製造出了冰十八。

被六束鐳射支配的恐懼

當這一層薄薄的液態水躺在實驗臺上時,它們並沒有意識到接下來會發生什麼。

隨著幾顆按鈕的按下,六束巨大的鐳射產生了一系列強度逐漸增加的衝擊波,瞬間給予這層薄薄的液態水相當於 400萬倍大氣壓的壓力並將其加熱到 最高2760℃的高溫。

為了記錄結晶變化過程並確定原子結構,研究人員用額外16束鐳射轟擊了一個微小的鐵箔,將其加熱成熱等離子並產生一束X射線。通過將X射線精確地照射壓縮水的樣本,記錄下X射線 衍射圖,就能得到產生的全新冰晶的明確特徵。

根據X射線得到的資料,鐳射轟擊下的液態水並沒有變成過熱液體或者過熱氣體,而是原子凍結成固體,形成一種全新的冰晶——冰十八。

就像上文所說,在冰十八中,氧原子會被 禁錮成立方晶格,氫原子可以從一個位置跳到另一個位置,但是由於速度很快,仿佛就像是流動一般。鬆散的氫原子還可以提高冰十八的熵值,增加其穩定性,提高融點。

同時氫原子還會電離產生帶正電的質子,這意味著冰十八能夠 導電。科學家認為,正是冰十八的導電能力,使得天王星與海王星的磁場混亂。

冰十八看上去是 黑色的,同等體積的冰18的 品質是普通冰的 4倍

科學家分析,在天王星和海王星的內部,流動的液體層可能會在距地心8000公里處停止,再往深處就是由冰18構成的「地幔」。由於冰18不同以往的導電能力,從而促使這兩顆星球產生了不同的磁場。


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