我们平时看见的冰,都是水分子冻成的规整晶体,密度比水小,能浮在水面上。
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但这只是冰最普通的一面,只要压力和温度够极端,水能变出十几种完全不一样的冰,有的甚至同时具备固体和液体的特点。
而最近,法国CEA(原子能与替代能源委员会)领衔的研究团队,他们在实验室里模拟出冰巨星内部的极端环境,首次清晰观测并确认了一种全新结构的超离子冰:六边形堆叠(hcp)冰。
该研究于2026年9月9日发表在《物理评论快报》上。
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超离子冰
早在三十多年前,理论物理学家就预言了这种状态:在几十万到上百万大气压、上千摄氏度的环境里,水分子的化学键会被压断,氧原子会老老实实固定在规则的晶格上,保持固体的骨架,但氢原子核却会挣脱束缚,像液体一样在氧原子的缝隙里自由穿梭、快速扩散。
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这种状态同时拥有固体和液体的特性,导电能力接近金属,因此被称为超离子态。
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此前科学家已经在实验中确认了面心立方(fcc)结构的超离子冰,也叫冰十八。
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这种冰里的氧原子,就像每层错开半个球的乒乓球堆叠,每三层重复一次排列,是最紧密的堆积方式之一。
但理论计算始终显示,超离子冰不该只有这一种结构,它还应该有一种每两层重复一次的堆叠方式,也就是六边形堆叠(hcp)结构。
就像堆橙子,第一层摆好,第二层嵌在凹槽里,第三层对准第一层的位置往上堆,这就是hcp。
如果第三层对准第一层的另一种凹槽,就是面心立方(fcc)结构。
两者密度相近,但堆叠顺序不同,物理性质也会有差异。
之前的冲击压缩实验里,有人看到过模糊的混合信号,但始终没能清晰分辨出独立的hcp衍射峰,更没人系统研究过它的稳定范围和相变规律。
用钻石压出来的极端冰
这次的研究团队用了极端的实验条件:他们把一点点水样封在特殊的吸光材料里,用两颗钻石的尖顶紧紧挤压,最高压出了相当于220万个大气压的压力,差不多是地球核心压力的六成。
同时用激光从外面给样品加热,最高升到了两千三百多摄氏度,这刚好对应冰巨星内部冰层的温度压力环境。
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最后用欧洲同步辐射装置的超细X射线束,它像高精度显微镜一样扫过样品,从而让研究团队看清里面原子的排列方式。
实验清楚拍到了两种冰结构转变的全过程。
在80万个大气压左右的压力下,研究人员先把冰加热到近1700摄氏度,得到了纯净的、三层堆叠的超离子冰。
然后慢慢降温,降到大概1100多摄氏度的时候,原本规整的堆叠开始错乱及错位;再往下降温,一组全新的信号出现了,这个信号正好对应两层循环的六边形堆叠结构。
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不过在降温过程里,这种新结构只是个中间过客,最终还是会变回更低温下的稳定冰相。
可要是温度和压力再往上升,进入超离子状态后,这种新结构的稳定性就越来越强了:压力到150多万个大气压、一千七百摄氏度左右,两种结构的冰还各占一半;等压力升到接近220万个大气压、温度到两千三百多度时,旧的结构几乎消失,六边形堆叠的新冰占了绝对主导。
简单说:在又热又压的超离子状态下,压力越高,六边形堆叠的冰就越稳定。
而且这种新冰还有个很特别的性质:加热的时候,它几乎只沿着堆叠的方向膨胀,垂直方向几乎不变。
这也说明,冰里的氢原子主要是顺着堆叠方向乱跑,导电能力应该也会顺着方向变,各个方向不一样。
可能改写冰巨星模型
这个发现首先弥补了水的极端状态相图的一块空白。
之前大家都以为高温超离子冰只有一种结构(冰十八),现在看来高压下其实还有另一种更稳定的结构。
研究人员回头看之前的老实验数据,发现其实早在130万个大气压的条件下就见过这个可疑的信号,只是当时没认出来,现在终于对上了。
这次研究更重要的是对行星科学的影响。
天王星和海王星这两颗冰巨星,内部一大半都是水、氨、甲烷这些冰物质,在行星深处的高温高压下,它们几乎都成了超离子态。
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之前建模的时候,科学家都默认里面的超离子冰是三层堆叠的那种,导电性也是按这个计算。
可如果行星更深的地方其实是这种六边形堆叠的超离子冰,那它的导电、粘稠程度都会和之前想的不一样。
这种各方向不一样的导电性,说不定就能解释为什么天王星、海王星的磁场歪歪扭扭、没有规整的两极,还偏离行星中心。
当然这还只是推测,需要更多的研究验证。
现在我们对这种新冰的了解还很少,比如它到底有多硬、导电能力具体是多少、不同方向差多少,都还得继续研究,未来还需要更多实验,从而摸清两种结构的冰到底在什么温度压力下切换。
总之呢,水真的是种特别神奇的分子。
我们天天看见的液态水和普通冰,只是它无数形态里最普通的两种。
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