科学家创造出神秘的水相 - “超音速冰”

被认为在天王星和海王星等冰冻行星中很常见的神秘热冰在实验室中通过通过钻石发射 X 射线来重现

  • 在超离子冰中, 也被称为“热冰”, H2O既是固态又是液态
  • 超离子冰是在海王星和天王星中心的高压下形成的
  • 了解更多关于冰的不同阶段可以帮助在其他行星上找到生命
  • 科学家创造了一种神秘的水相——称为“超离子冰”’ – 通过实验室中的钻石发射 X 射线.

    生产超离子冰需要极端条件, 有时被称为“热冰”, 这增加了其他众所周知的水相——固体冰, 液态水和蒸气气体.

    超离子冰是一种特殊的结晶形式, 半固体, 半液体——它是导电的.

    它是在太阳系外的海王星和天王星等行星的中心在极高的温度和压力下形成的.

    了解更多关于 H2O 的不同阶段 - 其中有几个 - 可以帮助在其他行星上找到生命, 科学家们认为.

    科学家们使用钻石和一束明亮的 X 射线来重建行星深处的条件, 并创造了一种叫做“超离子冰”的水相, 在高级光子源 (APS). 他们将冰样品挤在两块钻石之间 - 地球上最硬的物质 - 模拟强烈的压力, 然后通过钻石发射激光以加热样品 (图为 APS 的设备)

    科学家们使用钻石和一束明亮的 X 射线来重建行星深处的条件, 并创造了一种叫做“超离子冰”的水相, 在高级光子源 (APS). 他们将冰样品挤在两块钻石之间 – 地球上最硬的物质 – 模拟强烈的压力, 然后通过钻石发射激光以加热样品 (图为 APS 的设备)

    什么是超离子冰?

    超离子冰, 也称为超离子水, 是存在于极高温度和压力下的水相.

    超离子冰是一种特殊的结晶形式, 半固体, 半液体 – 它是导电的.

    它同时是固体和液体,因为它由固体晶格中的氧原子和类似液体的氢组成.

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    制造超离子冰的成功实验是在高级光子源进行的 (APS), 美国政府在莱蒙特的高能 X 射线光源设施, 伊利诺伊州.

    人们一直认为,直到水被压缩到超过 50 千兆帕斯卡的压力——与火箭燃料在升空时引爆时的内部条件大致相同——但这些实验仅在 20 千兆帕斯卡.

    “这是一个惊喜——每个人都认为这个阶段不会出现,除非你处于比我们最初发现的压力高得多的压力下,’ 研究合著者 Vitali Prakapenka 说, 芝加哥大学教授和 APS 光束线科学家.

    ’但是我们能够非常准确地绘制出这种新冰的特性, 这构成了物质的新阶段, 感谢几个强大的工具。’

    水的固体形式 (水) 实际上有十几种不同的结构, 取决于环境中的压力和温度条件.

    '超离子’ – 不应与“超音速”混淆’ – 指具有固体和液体特性的水, 当水处于极端压力和高温下时会发生这种情况.

    在超离子冰中, 氧原子紧密堆积并锁定到位, 而质子可以穿过晶格, 类似于金属中的原子和电子.

    实验是在高级光子源进行的 (APS, 图为), 美国政府在莱蒙特的高能 X 射线光源设施, 伊利诺伊州

    实验是在高级光子源进行的 (APS, 图为), 美国政府在莱蒙特的高能 X 射线光源设施, 伊利诺伊州

    它的存在是根据各种模型预测的,并且已经在非常极端的实验室条件下观察到.

    首先理论化 1988, 美国研究人员提供了 第一直接证据 用于超离子冰 2018.

    然而, 在研究人员通过一滴水发出冲击波后,人们才在短时间内瞥见了超离子冰.

    现在, 使用 APS, 这组科学家找到了一种可靠地创造的方法, 维持和检查冰.

    APS 是一种大型加速器,可驱动电子达到接近光速的极高速度,从而产生明亮的 X 射线束.

    Prakapenka 及其同事在两块钻石(地球上最硬的物质)之间挤压他们的冰样本,以模拟强烈的压力, 然后通过钻石发射激光以加热样品.

    最后, 他们通过样品发送一束 X 射线, 并根据 X 射线从样品上的散射方式拼凑内部原子的排列.

    超离子冰是一种特殊的结晶形式, 半固体, 半液体. 图为艺术渲染图

    超离子冰是一种特殊的结晶形式, 半固体, 半液体. 图为艺术渲染图

    看冰的结构, 团队意识到他们手上有一个新阶段, 并且能够精确映射其结构和特性.

    '想象一个立方体, 角上有氧原子的晶格由氢连接,’ 普拉卡彭卡说.

    '当它转变为这个新的超离子相时, 晶格展开, 允许氢原子四处移动,而氧原子在它们的位置上保持稳定.

    “这有点像漂浮在氢原子海洋中的固体氧晶格。’

    这会对冰的行为产生影响——它变得不那么密集了, 但明显更暗,因为它与光的相互作用不同.

    根据普拉卡彭卡, 超离子冰的全部化学和物理特性还有待探索.

    超离子冰是在太阳系外的海王星和天王星等行星的中心在极高的温度和压力下形成的. 图为天王星的剖面图

    超离子冰是在太阳系外的海王星和天王星等行星的中心在极高的温度和压力下形成的. 图为天王星的剖面图

    绘制冰的不同阶段发生的确切条件对于, 除其他事项外, 了解行星的形成,甚至在其他行星上寻找生命的地方.

    科学家认为海王星和天王星的内部也存在类似的情况, 和其他感冒, 其他太阳系中的岩石行星——被称为“系外行星”.

    这些冰的特性在行星的磁场中起作用, 这对其承载生命的能力有巨大影响.

    地球强大的磁场保护我们免受有害辐射和宇宙射线的伤害, 而贫瘠行星火星​​和水星的表面暴露在外.

    了解影响磁场形成的条件可以指导科学家寻找外星生命.

    新成果已发表在期刊上 自然物理学.

    注意间隔! 我们早期的太阳系被木星的引力或向外吹出的物质的强风分为内区和外区

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    神秘的缝隙, 被描述为“宇宙边界”, 存在于周围 4.567 十亿年前, 当太阳系刚刚形成时.

    它逐渐形成了今天的火星和木星之间的差距, 分隔内行星和外行星.

    该研究由麻省理工学院的专家进行 (和), 基于对古代陨石的分析 – 从太空坠落到地球的小行星碎片.

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