温度高达 5000℃，水不沸腾，反而结冰，科学家发现水的一种新形态

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

文 | 梅林

你没有看错，当温度升到 0℃以上时，冰未必会融化成水。这并不是在跟你开玩笑，也不是科幻电影中的情节。而是在我们的现实生活中，真实发生的 —— 科学家已经发现能在温度将近 5000℃的条件下，也不会融化的冰。

冰在 5000℃不融化？

2018 年，科学家在实验室里制造了第一块“超离子冰”—— 这是科学家发现的水的第 18 种形态。2019 年，他们又通过实验，证实了超离子冰的存在，以及超离子冰存在晶体结构。

近期，斯坦福大学的物理学家发现了超离子冰的一种新形态。阿里安娜・格利森（Arianna Gleason）的团队在两层钻石之间，夹了一层薄薄的水，并用一束能量强大的激光轰击这层水来提升水的温度和压力。

格利森团队经过进一步的分析，并与 2019 年的发现对比后，发现冰 18 拥有与冰 17 不同的晶体结构，确定了冰 18 是超离子冰的一种新的形态。而且，冰 18 相比于冰 17，还有更高的导电性。

水为什么在 5000℃反而结冰？

这就要从超离子冰的晶体结构说起了。我们可能都知道，水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的呈箭头状的分子。当水结冰的时候，氢原子和氧原子都会被固定在固定的位置。

而超离子冰则不同：超离子冰分子中的氧原子被固定在固态的立方形晶格中，而氢原子则可以自由活动。正是这样的晶体结构，让超离子冰具有更高的导电性，因为自由活动的氢原子充当了金属中自由电子的角色。而且，也是这种晶体结构给了超离子冰更高的融点，让它在将近 5000℃的条件下仍不融化。

格利森认为，冰 18 及其导电特性的发现，可能有助于解释“旅行者”2 号在飞越太阳系的两颗冰巨星 —— 天王星和海王星时，发现的异常磁场。

天王星和海王星的异常磁场是如何产生的？

从 1986 年 —1989 年，“旅行者”2 号相继飞越了天王星和海王星，探测后发现，这两颗冰巨星的磁场都不同寻常，它们都发生了倾斜和扭转。30 年来，科学家也提出了多种解释，但始终未能弄清楚这种磁场异常的现象。

根据法拉第电磁感应定律，变化的电场产生磁场。有科学家认为，地球之所以会有磁场，是因为外地核是液态的，其中离子的流动产生了磁场。因此，我们可以推测，海王星这样的冰巨星内部因为有液态物质也存在变化的电场，进而产生了它们的磁场。如果海王星的内部构成更复杂，除了液态物质，还有超离子冰的存在，那情况就更复杂了。多层导电性不同的内部圈层很可能改变海王星的磁场。

在格利森团队的研究中，科学家指出，类似海王星的冰巨星内部可能有多个导电性都不同的圈层，其中包含两层超离子冰层。位于行星内层的超离子冰层的导电性高于外层的离子液体层和气态物质层。如此复杂的分层结构可能就让海王星这样的冰巨星的磁场发生了大变化。（Gleason A.E.etal.,2022）

格利森表示，海王星内部可能存在两个导电性不同的超离子冰层，所以海王星的磁场才变得那样奇怪。以此类推，类似海王星的其他冰巨星可能都有这样的现象。

参考文献：

• https://doi.org/10.1038/s41598-021-04687-6

• Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice | Nature

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