利用高級光子源，科學(xué)家們重新創(chuàng)建了在海王星和天王星等行星中心形成的冰的結(jié)構(gòu)。每個人都知道水的三態(tài)：冰、液體和水蒸氣-- 但是，根據(jù)不同的條件，水實際上可以形成十幾種不同的結(jié)構(gòu)。科學(xué)家們現(xiàn)在在名單上增加了一個新的階段：超離子冰。

這種類型的冰在極高的溫度和壓力下形成，例如在海王星和天王星等行星的深處。此前，超離子冰只在科學(xué)家發(fā)送沖擊波穿過水滴的短暫瞬間被瞥見，但在《自然-物理學(xué)》上發(fā)表的一項新研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種可靠地創(chuàng)造、維持和檢查這種冰的方法。

研究報告的共同作者Vitali Prakapenka說："這是一個驚喜--每個人都認(rèn)為這個階段不會出現(xiàn)，直到你處于比我們第一次發(fā)現(xiàn)它的地方高得多的壓力，"他是芝加哥大學(xué)研究教授和高級光子源(APS)的光束線科學(xué)家，高級光子源是美國能源部(DOE)科學(xué)辦公室在DOE阿貢國家實驗室的用戶設(shè)施。"但是我們能夠非常準(zhǔn)確地繪制這種新冰的屬性，這構(gòu)成了物質(zhì)的一個新階段，這要歸功于幾個強大的工具。"

即使人類已經(jīng)窺探到了宇宙的開端--并深入到構(gòu)成所有物質(zhì)的最小粒子--我們?nèi)匀徊涣私獾厍蛏钐幍降诐摬刂裁矗挥谜f我們太陽系中的兄弟行星。科學(xué)家們只在地球表面下挖了大約7.5英里，然后設(shè)備就因極端的熱量和壓力而開始融化。在這些條件下，巖石的行為更像塑料，甚至像水這樣的基本分子的結(jié)構(gòu)也開始轉(zhuǎn)變。

由于我們無法實際到達這些地方，科學(xué)家必須轉(zhuǎn)向?qū)嶒炇?，以重現(xiàn)極端熱和壓力的條件。Prakapenka和他的同事使用APS，這是一個巨大的加速器，它將電子驅(qū)動到接近光速的極高速度，以產(chǎn)生輝煌的X射線束。他們將樣品擠壓在兩塊鉆石--地球上最堅硬的物質(zhì)之間，以模擬強大的壓力，然后用激光射穿鉆石以加熱樣品。最后，他們發(fā)送一束X射線穿過樣品，并根據(jù)X射線在樣品上的散射情況，拼湊出內(nèi)部原子的排列。

當(dāng)他們第一次進行實驗時，Prakapenka看到結(jié)構(gòu)的讀數(shù)與他所期望的大不相同。他以為出了什么問題，出現(xiàn)了不必要的化學(xué)反應(yīng)，在這種實驗中水經(jīng)常發(fā)生這種情況。"他說："但是當(dāng)我關(guān)閉激光，樣品回到室溫時，冰又回到了它的原始狀態(tài)。"這意味著這是一個可逆的、結(jié)構(gòu)性的變化，而不是一個化學(xué)反應(yīng)。

觀察冰的結(jié)構(gòu)，研究小組意識到它有一個新的階段在手。他們能夠精確地繪制其結(jié)構(gòu)和屬性。

Prakapenka說："想象一下一個立方體，一個在四角有氧原子的晶格，由氫氣連接。當(dāng)它轉(zhuǎn)變?yōu)檫@種新的超離子相時，晶格會膨脹，允許氫原子四處遷移，而氧原子保持穩(wěn)定的位置。這有點像一個固體氧晶格坐在漂浮的氫原子海洋中。"

這對冰的行為方式產(chǎn)生了影響。它的密度變小，但明顯變暗，因為它與光的互動不同。但是超離子冰的全部化學(xué)和物理特性還有待探索。這是一種新的物質(zhì)狀態(tài)，所以它基本上是作為一種新的材料，而且它可能與我們想象的不同。

這些發(fā)現(xiàn)也是一個驚喜，因為雖然理論科學(xué)家已經(jīng)預(yù)測了這個階段，但大多數(shù)模型認(rèn)為它不會出現(xiàn)，直到水被壓縮到超過50千兆帕的壓力(大約與火箭燃料引爆升空時的條件相同)。但是這些實驗只是在20千兆帕的壓力下進行的。

繪制不同階段的冰的確切條件，對于了解行星的形成，甚至在哪里尋找其他行星上的生命，都是非常重要的。科學(xué)家們認(rèn)為，海王星和天王星的內(nèi)部也存在類似的條件，宇宙中其他地方也有類似的寒冷巖石行星。這些冰的特性在一個星球的磁場中起著作用，這對其承載生命的能力有巨大的影響。地球的強大磁場保護我們免受有害的入射輻射和宇宙射線的影響，而貧瘠的火星和水星的表面則暴露無遺。了解影響磁場形成的條件可以指導(dǎo)科學(xué)家在其他太陽系中尋找可能承載生命的恒星和行星。

還有許多角度需要探索，如導(dǎo)電性和粘度，化學(xué)穩(wěn)定性，當(dāng)水與鹽或其他礦物混合時有什么變化，就像它在地球表面下的深處經(jīng)常發(fā)生的那樣。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)家 超離子 行星 冰結(jié)構(gòu) 海王星