利用高級光子源，科學家們重新創建了在海王星和天王星等行星中心形成的冰的結構。每個人都知道水的三態：冰、液體和水蒸氣-- 但是，根據不同的條件，水實際上可以形成十幾種不同的結構。科學家們現在在名單上增加了一個新的階段：超離子冰。

這種類型的冰在極高的溫度和壓力下形成，例如在海王星和天王星等行星的深處。此前，超離子冰只在科學家發送沖擊波穿過水滴的短暫瞬間被瞥見，但在《自然-物理學》上發表的一項新研究中，科學家發現了一種可靠地創造、維持和檢查這種冰的方法。

研究報告的共同作者Vitali Prakapenka說："這是一個驚喜--每個人都認為這個階段不會出現，直到你處于比我們第一次發現它的地方高得多的壓力，"他是芝加哥大學研究教授和高級光子源(APS)的光束線科學家，高級光子源是美國能源部(DOE)科學辦公室在DOE阿貢國家實驗室的用戶設施。"但是我們能夠非常準確地繪制這種新冰的屬性，這構成了物質的一個新階段，這要歸功于幾個強大的工具。"

即使人類已經窺探到了宇宙的開端--并深入到構成所有物質的最小粒子--我們仍然不了解地球深處到底潛藏著什么，更不用說我們太陽系中的兄弟行星。科學家們只在地球表面下挖了大約7.5英里，然后設備就因極端的熱量和壓力而開始融化。在這些條件下，巖石的行為更像塑料，甚至像水這樣的基本分子的結構也開始轉變。

由于我們無法實際到達這些地方，科學家必須轉向實驗室，以重現極端熱和壓力的條件。Prakapenka和他的同事使用APS，這是一個巨大的加速器，它將電子驅動到接近光速的極高速度，以產生輝煌的X射線束。他們將樣品擠壓在兩塊鉆石--地球上最堅硬的物質之間，以模擬強大的壓力，然后用激光射穿鉆石以加熱樣品。最后，他們發送一束X射線穿過樣品，并根據X射線在樣品上的散射情況，拼湊出內部原子的排列。

當他們第一次進行實驗時，Prakapenka看到結構的讀數與他所期望的大不相同。他以為出了什么問題，出現了不必要的化學反應，在這種實驗中水經常發生這種情況。"他說："但是當我關閉激光，樣品回到室溫時，冰又回到了它的原始狀態。"這意味著這是一個可逆的、結構性的變化，而不是一個化學反應。

觀察冰的結構，研究小組意識到它有一個新的階段在手。他們能夠精確地繪制其結構和屬性。

Prakapenka說："想象一下一個立方體，一個在四角有氧原子的晶格，由氫氣連接。當它轉變為這種新的超離子相時，晶格會膨脹，允許氫原子四處遷移，而氧原子保持穩定的位置。這有點像一個固體氧晶格坐在漂浮的氫原子海洋中。"

這對冰的行為方式產生了影響。它的密度變小，但明顯變暗，因為它與光的互動不同。但是超離子冰的全部化學和物理特性還有待探索。這是一種新的物質狀態，所以它基本上是作為一種新的材料，而且它可能與我們想象的不同。

這些發現也是一個驚喜，因為雖然理論科學家已經預測了這個階段，但大多數模型認為它不會出現，直到水被壓縮到超過50千兆帕的壓力(大約與火箭燃料引爆升空時的條件相同)。但是這些實驗只是在20千兆帕的壓力下進行的。

繪制不同階段的冰的確切條件，對于了解行星的形成，甚至在哪里尋找其他行星上的生命，都是非常重要的。科學家們認為，海王星和天王星的內部也存在類似的條件，宇宙中其他地方也有類似的寒冷巖石行星。這些冰的特性在一個星球的磁場中起著作用，這對其承載生命的能力有巨大的影響。地球的強大磁場保護我們免受有害的入射輻射和宇宙射線的影響，而貧瘠的火星和水星的表面則暴露無遺。了解影響磁場形成的條件可以指導科學家在其他太陽系中尋找可能承載生命的恒星和行星。

還有許多角度需要探索，如導電性和粘度，化學穩定性，當水與鹽或其他礦物混合時有什么變化，就像它在地球表面下的深處經常發生的那樣。

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