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研究:几千度高温“热冰”导电性为水数百倍

2019年5月20日9:48 环球解密

    在最新实验中观测到了几千度高温下水的冰晶态的艺术假想图。(劳伦斯利弗莫尔国家实验室)

    加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,简称LLNL)的物理学家在最新实验中观测到了几千度高温下水的晶态,发现这是一种导电性能为普通水的数百倍的一种“超离子态”,进而推测太阳系外围行星天王星海王星上大量存在这样状态的水元素,造成它们独特的磁场。

    根据近期发表在《自然》(Nature)杂志上的研究,LLNL的研究者们把很薄的一层水分子在100万~400万倍大气压、以及3000~5000华氏度的高温条件下挤成固态。这个温度接近太阳表面温度的一半。

    研究人员发现体在这样的状态下,导电性能是水在普通状态下的数百倍。研究者说,这也是推测水变成超离子态的一个有力的证据。

    超离子态是种奇特的状态,兼具固体和部分液体的特性,在微观下由晶体构成的矩阵结构中,又游离着带有电荷的原子核。

    水在超离子态下,氧原子被挤成固态晶体,而氢元素的质子却如液态般四处“游走”。上个月,另一个研究团队证实了钾元素在特定条件下可以同时表现出固体和液体的特性。

    首次发现第十八种冰晶态

    这个状态虽然只维持了几十亿分之一秒,但是用精确定时的X光连续拍照观察其微观结构发现,氧原子呈现面心立方体(Face Centered Cube)形态,即立方体的每个顶角各有一个原子外,在六个面的中心还各有一个原子的立方晶格。

    研究者之一Federica Coppari说,这是第一次观察到冰晶体呈现这样的排列形式。鉴于之前科学家已观察到17种冰的晶体形态,该团队提议把这种新结构名为第十八种冰晶态(Ice XVIII)。

    没有参与这份研究的同行、普林斯顿大学的物理学家Roberto Car告诉《国家地理》(National Geographic)杂志:“物质能呈现如此的多样性,真是令人震惊。”

    天王星海王星古怪磁场之谜

    研究者们认为,这种极端条件在地球的自然环境中不存在,但在天王星和海王星却应该有着由超离子态冰晶构成的、相当于地球地幔的外壳。研究者们推测,这也许能解释这两颗行星磁场怪异的原因。

    位于太阳系外围的这两颗“大冰星”含水量达65%,加上一些氨和甲烷,构成了类似地球的地幔和地心这样不同的地层。

    地球、木星和土星的磁场都类似,与自转轴接近重合,就像有一根条状大磁铁穿过这些球体一样。

    然而海王星的磁场不一样,犹如磁铁棒偏离到球体的一侧,两端从极地与赤道近乎中间的位置穿出;天王星的磁场更不寻常,磁场的南北极和星体的南北极完全相反。科学家们估计,这两颗行星的磁场都不稳定。

    LLNL的物理学家、这份研究的主要作者Marius Millot认为,这两颗行星超离子态冰层的外面可能还有一层液态水,但也是高导电态的水。两颗行星的磁场可能起源于这样的外层,比其它行星磁场的发源地更接近星体的“地表”。也许这是它们有着怪异磁场的又一个解释。

    天文学家现在已经发现了很多与天王星和海王星体积差不多的系外行星,研究者们表示,这些理论对了解更遥远的行星也适用。

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