水是维持生命不可或缺的资源，而它能展现的形式与面貌也比我们想象中还多，比如可能存在于天王星、海王星等冰巨星深处的黑色超离子冰。最近，科学家成功利用先进光子源实验重建了这些巨星上的冰结构，试图厘清它们如何冻结成超离子状态。
大家都知道水能以固态、液体或气态形式表现，然而根据环境温度与压力条件不同，固态冰实际上能形成高达19种不同结构（分子堆栈形状），其中一种极端形态为超离子冰（superionic ice），它就像液体和固体合二为一。
虽然模型已经预测了超离子冰相出现的条件，但若要指出精确温度又有点含糊不清，只能靠实验帮助确定液态与超离子状态的变化路径，然而不同实验方法的观察结果又存在巨大差异，因此想获得可信度高的结论始终是个挑战。
通常，水必须承受至少50GPa压力（当地球大气层下承受的力之50万倍）并以高功率激光加热，才能看到接近超离子冰的存在，因此，当阿贡国家实验室的先进光子源（Advanced Photon Source，APS）同步加速器展开实验、以相对温和的20GPa挤压并加热夹在两片钻石中间的水分子时，研究团队并没有抱多大期望。
结果惊喜就出现在研究人员眼前了。
根据X射线从样品上散射的方式，研究人员可以拼凑出内部原子的排列，而这场实验让团队精确搭建出超离子冰的结构与特性。
从理论来讲，其内部水分子排列为氧原子被周围不安定的氢原子包围着，想象有个立方体转变为超离子相时，晶格会膨胀使氢原子四处迁移，而氧原子则稳定保持在中间位置，就像漂浮在氢原子海洋中的固态氧晶格。
事实也证明，超离子冰出现条件比模型预估的还要温和，由于这些冰能影响一颗行星的磁场，厘清超离子冰的确切特性将有助于在其他行星寻找生命。
对科学家来说，超离子冰还有大量研究尚须钻研，包括它们的电导率、黏度、化学稳定性、与盐或其他矿物质混合时会发生的变化等。新论文发布在《自然物理学》（Nature Physics）期刊。
（首图来源：芝加哥大学）
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