天王星和海王星深处发现奇异新物态

卡内基科学研究所最新计算研究显示，在天王星和海王星等冰巨星的深层内部，常见元素碳和氢可能以一种前所未见的形式存在，这一新型物质状态有望重塑科学界对行星内部结构和磁场形成机制的理解。

该研究由卡内基科学研究所的刘聪（Cong Liu）和罗纳德·科恩（Ronald Cohen）主导，相关成果已发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。 他们通过高性能计算，从量子力学第一性原理出发，对简单的碳氢化合物（化学式为 CH，即碳氢化物）在极端高压高温条件下的行为进行了系统模拟。

天王星和海王星被归类为“冰巨星”，现有观测和模型显示，这两颗行星的内部结构大致可分为三层：最外层为氢氦大气，中间夹着由“热冰”构成的厚层，最内层则是岩石和金属组成的致密核心。 科学界普遍认为，这些“热冰”主要由水（H₂O）、甲烷（CH₄）和氨（NH₄）构成；但在极端压力和温度下，这些物质会表现出与常温常压完全不同的结构和性质。

刘聪和科恩的模拟覆盖了约 500 至 3000 吉帕（相当于地球大气压的 500 万至 3000 万倍）的压力范围，以及约 4000 至 6000 开（约 6740 至 10340 摄氏度）的温度区间，这一条件与冰巨行星深处环境相当。 结果显示，在这样的行星内部条件下，碳氢化物可以形成一种具有六方晶格结构的化合物：碳构成外侧螺旋链条，氢则在内侧形成螺旋链，并沿这些螺旋路径进行定向迁移。

在这一结构中，材料呈现出所谓“准一维超离子态”（quasi-one-dimensional superionic state）。 超离子物质是一类介于固体和液体之间的特殊状态：晶格中一部分原子保持固态有序排布，另一部分原子则可以像液体一样在晶格中自由移动。 研究显示，在这种新相中，碳骨架维持有序的六方晶体结构，而氢原子则主要沿着预先定义好的螺旋通道进行方向性运动，而非在三维空间中各向同性扩散。

科恩指出，这一新预言的碳—氢相之所以“格外引人注目”，就在于其原子运动并非完全三维，而是强烈偏向某些特定的螺旋路径，这种高度方向性的迁移特征在行星物质中十分罕见。 这种“准一维”超离子行为意味着，在这类物质内部，热量和电荷的传输方式可能与传统认识中各向同性的高温流体截然不同。

对行星科学而言，这一发现具有多重潜在影响。首先，氢在晶格中的定向迁移，将直接影响深部物质的热导率和电导率，从而改变行星内部能量如何由深层向外层传递。 其次，这种异常的导电性质可能与冰巨行星特殊的磁场形态存在关联，有助于解释天王星和海王星磁场结构相对地球和气态巨行星（如木星、土星）更加扭曲、偏心的观测特征。

近年来，人类已确认的系外行星数量超过 6000 颗，且仍在不断增长，这推动了天文学、行星科学和地球科学领域更紧密的交叉合作。 通过观测、实验与理论模拟的结合，研究人员试图描绘行星内部的物质状态和物理过程，包括磁场的产生机制以及深部层状结构的演化。 对太阳系内行星和卫星深处“看不见”的区域进行建模，不仅有助于理解这些天体本身的行为，也有望为地外宜居性等问题提供线索。

刘聪指出，碳和氢是行星物质中最常见的两种元素之一，但在类巨行星条件下，这一简单元素组合的行为远未得到充分认识。 本次工作表明，即使是最基本的化学体系，在极端高压高温之下也可以演化出复杂而出人意料的晶体和动力学结构，拓展了科研人员对高压物质世界的认识边界。

除了行星物理意义之外，这种具有强烈方向性传输特性的材料，也可能在更广泛的材料科学与工程领域找到应用前景。 例如，在需要高度各向异性导电或导热性能的场景中，这类超离子材料有望成为新型功能材料的理论蓝本，为未来的能源与电子器件设计提供新的思路。