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一项新的试验证明晰“超级冰”的存在这是一种奇方法的水

发布时间:2022-09-17 15:25:46 来源:天博在线

  超离子冰的发现或许处理了天王星和海王星等巨大的严寒行星的难题。他们现在被以为有气态,混合化学外壳,低于其的液态离子水层,包含大部分内部的固体超级冰层和岩石中心。近在纽约布莱顿的激光能量学试验室,国际上最强壮的激光器之一轰炸了一滴水,产生了冲击波,将水的压力提高到数百万个大气压,温度到达数千度。在相同的一秒钟内经过液滴宣布的X射线在这些极点条件下供给了人类第一次看到的水。

  X射线显现冲击波内的水不会变成过热的液体或气体。对立的是 - 正如物理学家眯着眼睛看着相邻房间的屏幕所意料的那样 - 原子冻结了固体,构成结晶冰。

  “你听到了这个镜头,” 加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家试验室的马里乌斯·米洛特说,“立刻你会发现有些工作正在产生。” 米洛与劳伦斯利弗莫尔的费德里卡科帕里一起领导了这项试验。

  今天在“ 天然”杂志上宣布的研讨成果证明晰“超离子冰”的存在,这是一个具有奇特特性的新阶段的水。与冰箱或北极中了解的冰不同,超离子冰是黑色和热的。它的立方体分量是一般立方体的四倍。这是30多年前的第一个理论猜测,虽然它直到现在才被人们所见过,但科学家以为它或许是国际中最丰厚的水方法之一。

  至少在太阳系中,或许存在的水作为超级冰 - 填充天王星和海王星的内部 - 比任何其他阶段,包含地球,欧罗巴和土卫二的海洋中的液体方法晃动。超离子冰的发现或许处理了几十年来关于这些“冰伟人”国际组成的难题。

  包含在一般冰中发现的水分子的六边形摆放,被称为“冰I h”,科学家们现已发现了令人目不暇接的18种冰晶结构。冰我,它以两种方法呈现后,我^ h和我,其他的都在他们发现的次序编号II经过十七。(是的,有一个Ice IX,但它只存在于人为的条件下,不像Kurt onnegut的小说“ Cats Cradle”中虚拟的国际末日物质。)

  超级冰现在可以声称冰十八的外衣。这是一种新的水晶,但有一个歪曲。一切从前已知的水冰由完好的水分子制成,每个水分子具有与两个氢衔接的一个氧原子。可是新丈量成果证明,超离子冰并非如此。它存在于一种超实践主义的边际,部分固体,部分液体。单个水分子割裂。氧原子构成立方晶格,但氢原子自由地溢出,像液体相同流过刚性的氧气笼。

  罗切斯特大学激光能量学试验室X射线衍射试验的时刻归纳相片。巨型激光聚集在水样上,将其紧缩成超离子相。额定的激光束从铁箔上产生X射线亮光,使研讨人员可以拍照紧缩水层的快照。专家说,超离子冰的发现证明晰核算机的猜测,这可以协助资料物理学家制造具有定制特性的未来物质。而且找到冰需求超快速丈量和准确操控温度和压力,推动试验技能。“一切这一切都不或许,比方五年前,” 伦敦大学学院的Christoph Salzmann说,他发现了XIII,XI和X。“肯定会产生巨大影响。”

  依据你的要求,超离子冰是水的现已紊乱的化身阵列或许更古怪的东西的另一个弥补。法国国家科学研讨中心和皮埃尔和玛丽居里大学的物理学家Liia Boe说,因为水分子割裂,它不是一个新的水源阶段。“这真的是一种新的物质状况,”她说,“这是适当壮丽的。”

  多年以来,物理学家一向寻求超离子冰 - 自从1988年由Pierfranco Demontis领导的原始核算机模仿猜测,假如你把它推到已知冰相的地图之外,水就会呈现出这种古怪的,简直像金属相同的形状。

  在极点的压力和热量下,模仿标明,水分子会决裂。跟着氧原子被锁定在一个立方晶格中,“氢现在开端从晶体中的一个方位跳到另一个方位,再次跳动,再次跳动,”米洛特说。晶格位点之间的跳动是如此之快,以至于氢原子 - 它们被电离,使它们基本上带正电的质子 - 好像像液体相同移动。

  这标明超离子冰将像金属相同导电,氢起着一般的电子效果。让这些松懈的氢原子涌出也会添加冰的紊乱或熵。反过来,熵的添加会使这种冰比其他品种的冰更安稳,导致其熔点向上飙升。

  新式超离子水冰相的核算机模仿,说明晰氢离子(蓝色)的面心立方晶格内氢离子(灰色,少量杰出显现为赤色)的随机液体运动。但这一切都很简单幻想而且难以信赖。第一个模型运用简化的物理学,经过实在分子的量子特性挥手。后来的模仿折射了的量子效应,但依然回避了描绘多个量子体相互效果所需的实践方程,这些方程核算难度很大。相反,他们依托近似,提高了整个场景在模仿中仅仅空中楼阁的或许性。一起,试验不能产生必要的压力,即便产生满足的热量也不能消融这种耐寒物质。

  可是,当问题酝酿时,行星科学家们开端置疑水或许具有超离子冰相。在第一次猜测阶段的时分,探测器oyager 2现已驶入外太阳系,发现了冰巨星天王星和海王星的磁场古怪的工作。

  太阳系其他行星周围的场所好像由激烈界说的北极和南极构成,没有太多其他结构。这简直就像他们的中心只要条形磁铁相同,与它们的旋转轴对齐。行星科学家将其归结为“发电机”:当行星旋转时,导电流体上升和旋转的内部区域,宣布巨大的磁场。

  相比之下,从天王星和海王星宣布的磁场看起来愈加粗笨,愈加杂乱,超越南北极。它们也不能与行星的旋转严密对齐。产生这种状况的一种办法是以某种方法将担任发电机的导电流体约束在行星的薄外壳中,而不是让它向下伸入中心。

  可是这些行星或许具有无法生成发电机的实心中心的主意好像并不实践。假如你钻进这些冰伟人,你会期望首要遇到一层离子水,它会活动,传导电流并参加发电机。天真地看起来乃至更深的资料,即便在更高的温度下,也会变成流体。约翰斯·霍普金斯大学的萨宾·斯坦利说:“我曾经总是恶作剧说,天王星和海王星的内部结构实践上并不存在。” “但现在现实证明他们或许的确存在。”

  在上一年2月宣布的前期试验中,物理学家为超离子冰建立了直接依据。他们在两颗切开钻石的顶级之间挤出一滴室温水。当压力升高到大约1千兆帕斯卡时,大约是马里亚纳海沟底部的10倍时,水变成了一种叫做冰六的四方晶体。经过大约2千兆帕斯卡,它变成了冰七,一种更密布,立方体形状通明的肉眼,科学家最近发现它也存在于天然钻石内的小口袋中。

  劳伦斯利弗莫尔国家试验室的物理学家Federica Coppari,她和她的搭档用X射线衍射图画板发现了冰XIII,也称为超离子冰。然后,在激光能量学试验室运用OMEGA激光器,Millot及其搭档将冰II定坐落钻石砧之间。当激光击中钻石外表时,它向上蒸腾资料,有效地使钻石在相反方向上晃动,并经过冰宣布冲击波。Millot的团队发现他们的超级加压冰在约4700摄氏度时消融,大约与预期的超级冰相同,而且因为带电质子的运动它的确导电。

  跟着关于超离子冰的大部分特性的猜测得以处理,由Coppari和Millot领导的新研讨采取了下一步承认其结构。“假如你真的想证明某些东西是结晶的,那么就需求X射线衍射,”萨尔兹曼说。

  他们的新试验彻底跳过了I和II。相反,该团队仅仅在钻石铁砧之间用激光冲击破碎水。十亿分之一秒之后,当冲击波动摇而且水开端结晶成纳米级冰块时,科学家们运用了16个激光束来蒸腾样品周围的薄铁条。产生的热等离子体用X射线吞没结晶水,然后从冰晶中衍射出来,使团队可以辨别出它们的结构。

  水中的原子现已重新摆放成长期猜测但从未见过的建筑物,Ice XIII:每个旮旯和每个面的中心都有氧原子的立方晶格。“这是一个很大的打破,”科普帕里说。

  “这个阶段的存在不是量子分子动态模仿的假象,而是实在的 - 这是十分令人欣慰的现实,”Boe说。

  这种模仿和实在超级冰背面的成功穿插查看标明物质物理研讨人员的终究“愿望”或许很快就会触手可及。“你告诉我你想要什么特点的资料,咱们将去核算机,从理论上找出你需求什么资料和什么样的晶体结构,” 大学发现团队成员Raymond Jeanloz说。加州伯克利分校。“整个社区越来越近了。”

  新的剖析还暗示,虽然超离子冰的确会传导一些电,但它依然是一种糊状固体。跟着时刻的消逝它会活动,但不是真实的丢失。然后,在天王星和海王星的内部,流体层或许会停留在间隔地球大约8,000公里的当地,在这里,像Millot团队出产的巨大的缓慢的超级冰层地幔开端产生。这会将大多数发电机动作约束在较浅的深度,然后解说了行星的不寻常的场。

  太阳系中的其他行星和卫星或许不会包容正确的内部温度和压力点以答应超离子冰。可是许多冰巨型巨细的系外行星或许会暗示这种物质在整个银河系的严寒国际中都很常见。

  当然,没有真实的行星只含有水。咱们太阳系中的冰伟人也混合了甲烷和氨等化学物质。“超天然行为在天然界中实践产生的程度”取决于当咱们将水与其他资料混合时这些阶段是否依然存在,“斯坦利说。到现在为止,现在尚不清楚,虽然其他研讨人员以为超离子氨也应该存在。

  除了将他们的研讨扩展到其他资料之外,该团队还期望坚持对其超离子晶体古怪的,简直对立的二元性的归零。只捕获氧原子晶格“显然是我做过的最具挑战性的试验,”米洛特说。他们还没有看到质子经过晶格的鬼魂,空隙活动。“技能上,咱们还没有,”科普帕里说,“但这个范畴正在快速增长。”