發現超離子冰第 18 種結構

過去物理學家預言，當水承受極端壓力和溫度時，會轉變成奇異的超離子態，可能大量存在於冰巨行星中，而這項預言於 2018 年首度被證實。現在，美國研究人員發現超離子冰新的微觀結構，或許能進一步解謎冰巨行星的異常磁場之謎。

我們對「冰」這物質都很熟悉，但你知道根據水分子之間的排列方式，水冰還可以分出很多種類，每一種都具有不同的外觀和性質，而美國物理學家珀西·布里奇曼（Percy Bridgman）是第一個發現冰於高壓下至少有 6 種變態的科學家，其中一種即所謂的熱冰，融點高達 200℃。

至今我們已知水的固體狀態有 17 種不同晶體結構（根據壓力與溫度的不同產生變化），從冰 Ih、冰 II、冰 III 一直命名到冰 XVII（阿拉伯數字 17），而我們平常最熟悉的冰是「冰 Ih」。現在，美國勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）科學家新發現冰的第 18 種結構，命名為「冰 XVIII」。

整體實驗過程非常複雜，簡單來說，研究人員將水封裝在狹小空間內，接著使用 6 台巨大、高功率雷射儀器產生一系列衝擊波去「爆破」水分子，以大氣壓力 400 萬倍的壓力壓縮水，使其凍結成固態冰，同時於短短幾十億分之一秒內將水加熱到 1600～2700℃。

但由於這種極端壓力、溫度條件只能維持不到 1 秒鐘，科學家不確定是否形成新的結晶相，為了記錄並確定其原子結構，研究人員額外使用 16 道雷射脈衝撞擊一個微小鐵箔，使其蒸發並電離成熱等離子體後，以特定能量發射 X 射線，其中一些光子從內部晶體繞射，讓研究人員得以確定新的冰晶相確實形成。

X 射線繞射圖最終顯示出一種前所未見的冰結構：氧原子佔據在立方體結晶相的每個點、以及每個面的正中間，和此前 17 種結構都不同，因此團隊建議將新結構命名為「冰 XVIII」。

這個實驗將幫助我們更了解天王星、海王星和其他冰巨行星的內部結構，或許還有機會解釋這些行星擁有異常磁場的謎團，比如天王星和海王星的地表下某處可能埋藏大量冰 XVIII，進而影響它們的磁場。

新論文發表在《自然》（Nature）期刊。

註：水、冰、水蒸氣三者的不同點，在於水分子相互之間的排列方式。

• Giant lasers crystallize water with shockwaves, revealing the atomic structure of superionic ice

• New superionic ice phase could shed more light on icy giant cores

• Scientists Just Created a Bizarre Form of Ice That's Half as Hot as The Sun

（首圖來源：勞倫斯利佛摩國家實驗室）