什麼？冰塊居然有10000°C

這聽起來很瘋狂，但研究人員確實成功製造出了「炙熱的冰塊」：一種在數千度高溫下仍保持凍結的「水」！物質處於這種所謂的「超離子態」時所呈現的驚人特性令物理學家都坐不住了……

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這簡直像是在太陽表面找到了冰塊一樣！

絕非《蝙蝠俠》裡急凍先生那種「曇花一現」的水準，而是貨真價實的「炙熱」冰塊：只有溫度超過10000℃才會融化……

沒錯，這種數千度的冰塊並不是在冰櫃中形成的。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的一支研究團隊藉助極為複雜的實驗儀器歷時4年才造出這種冰塊……

第一步是用名為「金剛石壓砧」（diamond anvil cell）的設備將超純水壓縮。

金剛石壓砧

這種設備像一臺縮小版的壓力機（長不足1毫米），可以將水鎖在不會形變的金剛石之間。壓強可達25億帕斯卡，差不多是標準大氣壓的25000倍，使液態水在25℃時就變成固態冰……已經覺得很奇特了？驚人的遠不止於此。

水並非只在零度凍結

在常溫下，水分子做無規則運動，運動幅度隨溫度升高而加劇——這樣的水是液態的。

只有在溫度達到0℃時水分子運動才會緩慢到足以在水分之間形成更堅固的連接，從而固定它們的相對位置，由此形成了冰。

但只有處於標準大氣壓下水才在0℃結冰。只要改變壓強，就能改變水結冰的溫度。

在金剛石壓砧中的水分子受巨大壓力驅使而相互靠近並產生堅固的連接，在常溫下就能結冰。然而這樣形成的冰與普通冰塊的相似之處僅限於外觀：前者的水分子排列更緊密，密度比後者高出60%……

壓縮並用雷射加熱

直到這一步，研究人員仍在前人已知的領域。若是施加百倍的壓力並將水加熱到至少1700℃，得到的冰塊就可以在極端溫度下仍保持固態——至少物理學家是這樣預測的，因為所謂的「超離子冰」之前只存在於理論中，直到勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究團隊首次觀測到它。

製造超離子冰需要使用雷射，更確切地說是六束雷射。

研究人員把置於金剛石壓砧中的純水冰送至美國羅切斯特大學雷射能量學實驗室（LLE），並將整個設備放置在一個直徑3.3米的球體中央，隨後令兩塊金剛石之間的冰塊受到6束紫外雷射的照射。照射只持續了1納秒（10億分之一秒），但已足夠對其中一塊金剛石輸出駭人功率（高達1萬億瓦）。

這一超高功率被轉化成穿透冰塊的衝擊波，對冰塊實現了進一步壓縮，使其承受的壓強達到大氣壓的200萬倍！除了極大的壓強，雷射提供的能量同時會顯著提高冰塊的溫度，至少達到1700℃！這就是製備超離子冰所需的條件……

遺憾的是，整個實驗只能持續20納秒，金剛石壓砧和超離子冰在衝擊波通過後幾乎即刻氣化。

可以導電的冰塊

因此研究人員可以觀測超離子冰的時間轉瞬即逝。

但他們還是成功「看到」了超離子冰，憑藉另一套使用雷射的複雜設備，只不過後者的雷射是用於照明的。他們還使用了一臺超高速照相機，每20皮秒（1皮秒等於10^-12秒）可以拍一張1000像素的照片。

這真是一臺各種意義上超標的設備，但物有所值。得益於這臺設備，研究人員成功發現了超離子冰導電的秘密。沒錯，在超離子態下，冰可以導電！想像一下，用冰塊取代銅線連接燈泡和電池，燈泡居然能點亮！

但這怎麼可能？在金屬（例如銅）中，電流是隨著繞原子核旋轉的電子運動而產生的。水分子中包含10個電子，其中每個氫原子各含1個電子，氧原子含8個電子。這些電子離開了原子核從而產生了電流嗎？

不對。證據是實驗中超離子冰本身沒有發光。通過電子的移動來導電的材料會反射光線，由此呈現出某種光澤，就像鐵或銅那樣。因此如果在超離子冰中導電的是電子，用於照亮冰塊的雷射應當會被反射。而實際情況是它被吸收了，所以並不是電子在導電。那到底是什麼在導電？

躍動的質子

其實早在進行試驗之前，研究人員對這個問題的答案就已經有所猜想。畢竟關於超離子冰的理論研究已通過計算機模擬進行了將近30年。

根據對應的模型，冰在這些實驗條件下並不會釋放電子，卻會釋放水分子中的氫原子。更準確地說，是失去了電子的氫原子：只剩下質子，也就是組成氫原子核的帶正電粒子。

在被壓縮到極致的超離子冰中，水分子之間的化學鍵非常短。在上圖中可以看到綠色的氫原子與相鄰兩個氧原子的距離幾乎相等

因為大量質子在冰中移動，而質子也被物理學家稱作「氫離子」，因此這種冰塊才被命名為「超離子冰」。

但為什麼通常與氧原子連接在一起的氫原子會突然腳底抹油呢？為了更好地理解這個現象，需要更進一步觀察冰塊。在原子層面，冰是一種結晶固體：組成它的所有分子按照一定規律排布，就像水果攤上整齊排列的橘子一樣。

在冰從一種形態變到另一種的過程中，其分子的排布方式會發生變化。當我們大幅增壓時，會迫使分子按照體心立方結構排布。在這種特殊的排布中，分子之間距離很近，因此有些氫原子可以在相鄰水分子之間移動。

A 與氫原子在同一個水分子中，以共價鍵相連；B 則與氫原子以氫鍵相連

氫原子離B 的距離如此之近以至於它能捨棄電子，以質子的形式從A 運動到B

除了壓強外，溫度提高帶來的能量也會使水分子自行旋轉。一眨眼，氧原子B 的旋轉使得質子朝向了另一個氧原子C

結果質子就與C 連在了一起.許多質子在同時進行一樣的運動。電子在金屬（例如銅）中移動能產生電流，質子在水分子間的類似移動賦予了超離子冰導電的能力。

氫原子在移動過程中捨棄了原有的電子，從而成為流動的質子。在超離子冰中，這一現象更為顯著：更大的壓強使分子間的距離進一步縮小，極端高溫又提供了莫大的能量，於是所有質子都站上了跑道……

磁化天王星與海王星

水分子中的氧原子仍舊按照原先的方式排布，而質子已然在中間跑了起來。

這些可以四處溜達的帶正電粒子是超離子冰可導電的原因。超離子冰在實驗室中的製備和觀測除了證實理論預測外，還有助詮釋27億千米外天王星和海王星內部的一個謎題！這兩顆星球主要由水組成（佔到總質量的65%）。

根據它們的大小（天王星直徑約51000千米，海王星直徑約49000千米），物理學家估計只需探入這兩顆星球極為稠密的大氣層中8000千米左右，就能找到可使超離子冰存在的溫度和壓強條件。

海王星藍色的雲層中是否藏著超離子冰？

研究人員進而猜想天王星和海王星內部是厚實的超離子冰構成的固定地幔，其表層由於壓強較小而更接近流體。這種結構或許可以解釋這兩顆星球極為特殊的磁場：它們不像地球那樣擁有兩個磁極，而是四個！

要想了解更多，還需細化勞倫斯利弗莫爾國家實驗室進行的試驗。事實上，天王星和海王星並非由純水構成，它們還含有氨、甲烷……如果加入這些雜質，超離子冰的表現會有什麼不同？為了探究箇中奧秘，進一步的試驗已經納入日程。

撰文 Fabrice Nicot

編譯 陳煜炯