地球上看不见的水：“超离子水”微观结构首次被拍到

IT之家 1 月 17 日消息，科技媒体 Golem 昨日（1 月 16 日）发布博文，报道称科学家利用超快 X 射线衍射技术，成功观测到一种全新的“超离子水”结构。

超离子水的微观结构示意图，其中氧原子形成刚性晶格，而氢离子几乎可以在其中自由移动。这种极端状态通常只存在于大型行星的内部，而此次实验是利用强激光进行的。（图源：Greg Stewart / SLAC 国家加速器实验室）

来自德国罗斯托克大学、法国 CNRS 综合理工学院及赫姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心的研究团队，利用超快 X 射线衍射技术，首次清晰观测到一种前所未见的水的形态。

这种被称为“超离子水”的物质展现出独特的微观构造：氧原子形成固定的晶格骨架，而氢原子核（质子）则像液体一样在骨架间自由穿梭，这种奇特的“固液混合”态赋予了水极高的导电性能。

这一发现为行星科学解开了一个长期谜题。天王星和海王星这两颗“冰巨星”拥有极不寻常的磁场，结构错综复杂，甚至拥有四个磁极，且磁场强度波动剧烈，部分区域远超地球磁场。

研究团队推测，其原因正是因为这两颗行星内部深处充满了这种高导电的超离子水。鉴于天王星和海王星的主要成分是水，科学家认为，这种在地球上罕见的超离子水，很可能才是太阳系中水最普遍的存在形式。

要让水进入这种奇异状态，条件极为苛刻。实验数据显示，只有在约 2500 开尔文（2200℃）的高温和超过 150 吉帕（GPa）的压力下才会发生相变。

150 吉帕相当于地球大气压的 150 万倍，这种压力在冰巨星内部司空见惯，但在实验室中却极难实现。研究人员通过快速连续的冲击压缩，成功在实验室瞬间制造了高达 180 吉帕的极端环境。

实验装置示意图，图源：论文

维持这种极端状态的时间极短，仅能持续数皮秒（万亿分之一秒）。为了捕捉这一瞬间的结构，团队使用了与其持续时间相当的超快 X 射线激光脉冲进行探测。

观测结果令人惊讶：在高压下，氧原子的晶格并非完美排列，而是呈现出面心立方结构与六方堆积的混合形态，内部存在大量堆垛层错。这表明即便在如此惊人的压力下，水分子晶格仍未达到理论上最紧密的堆积状态。

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