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我們很小的時(shí)候都知道，冰遇熱會(huì)融化；當(dāng)我們長(zhǎng)大了一點(diǎn)，又知道了在 0℃之上，冰就會(huì)融化成水。想必我們所有人都會(huì)把這些現(xiàn)象認(rèn)為是“理所當(dāng)然”。不過(guò)，現(xiàn)在我要告訴你：其實(shí)并不是這樣，溫度達(dá)到 0℃以上，冰未必會(huì)融化。
文 | 梅林
你沒(méi)有看錯(cuò)，當(dāng)溫度升到 0℃以上時(shí)，冰未必會(huì)融化成水。這并不是在跟你開(kāi)玩笑，也不是科幻電影中的情節(jié)。而是在我們的現(xiàn)實(shí)生活中，真實(shí)發(fā)生的 —— 科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)能在溫度將近 5000℃的條件下，也不會(huì)融化的冰。
冰在 5000℃不融化？
2018 年，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里制造了第一塊“超離子冰”—— 這是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的水的第 18 種形態(tài)。2019 年，他們又通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了超離子冰的存在，以及超離子冰存在晶體結(jié)構(gòu)。
近期，斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了超離子冰的一種新形態(tài)。阿里安娜?格利森（Arianna Gleason）的團(tuán)隊(duì)在兩層鉆石之間，夾了一層薄薄的水，并用一束能量強(qiáng)大的激光轟擊這層水來(lái)提升水的溫度和壓力。
格利森團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的分析，并與 2019 年的發(fā)現(xiàn)對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)冰 18 擁有與冰 17 不同的晶體結(jié)構(gòu)，確定了冰 18 是超離子冰的一種新的形態(tài)。而且，冰 18 相比于冰 17，還有更高的導(dǎo)電性。
水為什么在 5000℃反而結(jié)冰？
這就要從超離子冰的晶體結(jié)構(gòu)說(shuō)起了。我們可能都知道，水分子是由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子組成的呈箭頭狀的分子。當(dāng)水結(jié)冰的時(shí)候，氫原子和氧原子都會(huì)被固定在固定的位置。
而超離子冰則不同：超離子冰分子中的氧原子被固定在固態(tài)的立方形晶格中，而氫原子則可以自由活動(dòng)。正是這樣的晶體結(jié)構(gòu)，讓超離子冰具有更高的導(dǎo)電性，因?yàn)樽杂苫顒?dòng)的氫原子充當(dāng)了金屬中自由電子的角色。而且，也是這種晶體結(jié)構(gòu)給了超離子冰更高的融點(diǎn)，讓它在將近 5000℃的條件下仍不融化。
格利森認(rèn)為，冰 18 及其導(dǎo)電特性的發(fā)現(xiàn)，可能有助于解釋“旅行者”2 號(hào)在飛越太陽(yáng)系的兩顆冰巨星 —— 天王星和海王星時(shí)，發(fā)現(xiàn)的異常磁場(chǎng)。
天王星和海王星的異常磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的？
從 1986 年 —1989 年，“旅行者”2 號(hào)相繼飛越了天王星和海王星，探測(cè)后發(fā)現(xiàn)，這兩顆冰巨星的磁場(chǎng)都不同尋常，它們都發(fā)生了傾斜和扭轉(zhuǎn)。30 年來(lái)，科學(xué)家也提出了多種解釋?zhuān)冀K未能弄清楚這種磁場(chǎng)異常的現(xiàn)象。
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。有科學(xué)家認(rèn)為，地球之所以會(huì)有磁場(chǎng)，是因?yàn)橥獾睾耸且簯B(tài)的，其中離子的流動(dòng)產(chǎn)生了磁場(chǎng)。因此，我們可以推測(cè)，海王星這樣的冰巨星內(nèi)部因?yàn)橛幸簯B(tài)物質(zhì)也存在變化的電場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生了它們的磁場(chǎng)。如果海王星的內(nèi)部構(gòu)成更復(fù)雜，除了液態(tài)物質(zhì)，還有超離子冰的存在，那情況就更復(fù)雜了。多層導(dǎo)電性不同的內(nèi)部圈層很可能改變海王星的磁場(chǎng)。
在格利森團(tuán)隊(duì)的研究中，科學(xué)家指出，類(lèi)似海王星的冰巨星內(nèi)部可能有多個(gè)導(dǎo)電性都不同的圈層，其中包含兩層超離子冰層。位于行星內(nèi)層的超離子冰層的導(dǎo)電性高于外層的離子液體層和氣態(tài)物質(zhì)層。如此復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)可能就讓海王星這樣的冰巨星的磁場(chǎng)發(fā)生了大變化。（Gleason A.E.et al.,2022）
格利森表示，海王星內(nèi)部可能存在兩個(gè)導(dǎo)電性不同的超離子冰層，所以海王星的磁場(chǎng)才變得那樣奇怪。以此類(lèi)推，類(lèi)似海王星的其他冰巨星可能都有這樣的現(xiàn)象。
參考文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.1038/s41598-021-04687-6
Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice | Nature
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