科学家在超过2000°C高温下创造出新形式的冰

水是人类世界中最常见、最不可或缺的物质之一。

如果没有水作为近乎万能溶剂的特性，我们几乎无法运转。它从天而降；我们用它洗澡、饮用，也会为了消遣而泡在水里。

但如果仅仅把水当作一种液体来看，它就极其古怪，其行为方式与其他液体完全格格不入。它结冰后密度反而变小；表面张力高得离谱；沸点也高得离谱。而且，按照它的分子量来看，它在室温下本应是一种气体。

而这还只是在地球正常的环境条件下。

稍微调整一下压力和温度，水的反常行为就会更加失控。

科学家如今展示了一种迄今最奇怪的冰的形式——在高达230万大气压的惊人压力和高达2630开尔文（2357摄氏度，或4274华氏度）的极端温度下形成。

在那种温度下，你通常会预期水毫无疑问是气体——甚至部分分解成氧原子和氢原子。但在行星深处那种天文数字般的压力下，会发生一些有趣的事情。

当水从液体转变为气体或蒸汽时，它会膨胀。在数百万大气压的粉碎性压力下，这种膨胀受到抑制。于是，水可以保持极其致密的状态，呈现出与地球表面遇到的任何冰都不同的奇异形态。

其中之一就是超离子冰——一种非常奇特、既不完全固态也不完全液态的物质状态。它的氧原子像固体中那样固定在刚性晶格中，但氢原子核却可以移动，更像液体中的粒子一样在晶格中扩散。

在略有不同的条件下，氧原子的排列会转变为称为“相”的不同构型。已知的水冰相大约有二十几种，其中一些在极端条件下会变成超离子态。科学家们一直在寻找更多。

这并不只是为了奇怪而奇怪。超离子冰被认为存在于天王星和海王星内部深处，它不寻常的性质可能在产生这两颗行星同样不寻常的磁场中发挥作用。

在新实验中，由法国替代能源与原子能委员会物理学家亚历克西·福雷斯蒂耶领导的团队，将微小的水样品置于冰巨星内部预期的那种极端条件下。

他们把样品挤压在金刚石尖端之间，压力高达230吉帕斯卡，同时用激光将其加热到数千度。这是地球海平面大气压的230万倍——作为参照，地心压力约为360吉帕斯卡。

然后，他们使用一束极窄的同步辐射X射线，探测冰晶体结构的变化。

出现的结果是一种理论上预言过、但实验中从未被明确观察到的构型：六方密堆积冰，即hcp冰。随着hcp晶体被加热，它的膨胀也显示出超离子行为的特征，表明它在约1700开尔文时进入超离子态。

这个名字指的是氧原子的排列方式。想象一下你把相同的球分层紧密堆积；在尽可能紧密堆积的同时，这些层可以有许多不同的堆叠方式。

此前确认的一种超离子冰具有面心立方结构，即fcc结构。在新发现的hcp冰中，层的堆叠顺序不同。研究人员发现有证据表明，随着层的位置移动，一种结构可以转变为另一种。

这种转变似乎随着条件变得更加极端而发生。

在155吉帕斯卡和2000开尔文下，X射线探针观测到的信号是fcc和hcp的混合。调到197吉帕斯卡和2250开尔文时，hcp的特征相对于fcc变得更强。到最后一组条件——219吉帕斯卡和2630开尔文时——fcc的特征几乎消失，hcp明显占据主导。

有趣的是，这可能并不是研究人员第一次制造出hcp冰。回顾早先实验的数据，他们意识到在130吉帕斯卡以上观察到的一个此前未被识别的X射线衍射峰，很可能就是hcp冰的特征——只是当时没有认出来。

他们的结果表明，在约200吉帕斯卡以上的压力下，hcp可能成为超离子冰更稳定的排列方式。

这看似相对微小的变化——确实是在原子尺度上——但这一差异对太阳系来说可能意义重大。

如果hcp冰的导电方式与fcc冰不同，那么它存在于天王星和海王星深处，可能会改变关于物质和电荷如何在它们内部移动的模型——这些过程被认为与产生这两颗行星奇怪、杂乱、不对称的磁场有关。

不过，我们实际上还不了解hcp冰的性质。这种东西刚刚才被发现。研究人员呼吁开展进一步的理论工作来厘清这些性质——尤其是它的机械塑性和导电性。

还需要进一步的实验来确定，在压力和温度的极端范围内，hcp冰相对于fcc冰究竟在哪些条件下是稳定的。

水真的很古怪，超离子冰则更古怪。科学家们对水这种奇怪分子所能做到的事情才刚刚触及皮毛；从某种意义上说，我们不得不依赖它来维持生命，这倒挺合适。

保持冰冷吧，水。或者保持滚烫。做你自己就好。

这项研究结果已发表在《物理评论快报》上。

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