科普：你聽說過10000°C的冰嗎？

作者：曾運卓（高中學生）

摘要：自然界冰超過0℃還會存在嗎？假如存在，是以哪種結構？科學新發現的10000℃超離子冰如何製作？其中又有哪些我們需要探究的科學意義？未來這種新形態物質又可以如何利用？

正文：10000℃的冰聽起來很瘋狂，但美國一支研究團隊確實成功製造出了「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」時所呈現的特性是令常人所想像不到的，事實卻告訴我們生活中違背常識的依舊可以神奇地存在，這也是科學所帶給人的魅力所在。

一 冰

冰是無色透明的固體，分子之間主要靠氫鍵連接形成晶體結構，一般為六方體，但因應處於不同環境的壓力下可以有其他晶格結構。

冰融化時拆散了大量的氫鍵，使整體化為四面體集團和較小的水分子集團，故液態水已經不像冰那樣完全是有序排列了，而是有一定程度的無序排列，即水分子間的距離不像冰中那樣固定，這樣分子間的空隙減少，密度相對冰就增大了。而在溫度升高時，水分子的四面體集團不斷被破壞，分子無序排列增多，使密度增大。但同時，分子間的熱運動也增加了分子間的距離，使密度又減小。所以溫度升高的同時，冰的內部結構也在發生變化，這也是10000℃冰的形成所神奇之處。在正常人常識中，冰的熔點是0℃，沸點是100℃，這也是為什麼當我們知曉實驗室中有10000℃的冰存在時，而感到驚愕了。

二 10000℃的冰

貨真價實的「炙熱」冰塊：只有溫度超過10000℃才會融化。這種數千度的冰塊並不是在普通冰櫃中形成的。而是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年才造出的冰塊。

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

這裡引入一個概念

超純水：這種水中的導電介質幾乎完全去除，又將水中不離解的膠體物質、氣體及有機物均去除至很低程度。電阻率大於18MΩ*cm，或接近18.3MΩ*cm極限值(25℃)。水中除了水分子(H2O)外，幾乎沒有什麼雜質，更沒有細菌、病毒、含氯二惡英等有機物，當然也沒有人體所需的礦物質微量元素。

正常的常溫下，水分子做無規則運動（布朗運動），運動幅度、頻率隨溫度升高而加劇——這樣的水依舊是液態的。

只有在溫度降低到0℃時，水分子運動逐漸緩慢，才足以在水分子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。

「金剛石壓砧」（diamond anvil cell）像一臺縮小版的壓力機（長不足1毫米,如上圖所示），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。正是這樣，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，在常溫下就能改變結構從而結冰。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%。

第二步是製造超離子冰，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。造超離子冰需要使用六束雷射，以達到進一步壓縮純水冰的作用。「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，雷射所提供的能量同時也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。」但令人遺憾的是，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，無法長存。

第三步深層研究並捕捉超離子冰圖片，研究人員憑藉另一套使用雷射（指照明系統）的複雜設備，他們還使用了一臺超高速照相機，每20皮秒可以拍一張1000像素的照片。換算單位：1皮秒＝10^-12秒。這是一臺各種意義上超標設備，但物有所值，得益於這臺設備，使得研究人員成功發現了超離子冰的秘密：在超離子態下，冰可以導電。想像一下，未來技術發展成熟之後，用冰塊（超離子冰絲）取代銅線連接燈泡和電池，創造出另一個用科技點亮的世界？但利用化學知識在金屬（例如銅）中，電流是隨著原子核周圍高速繞其旋轉的電子運動而產生的。水分子中包含10個電子（H2O,兩個H有2個電子，一個O有8個電子）。是否是這些電子離開了原子核從而產生了電流？

思考與探究

「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？」

答案是冰在這些實驗條件下並不會輕易釋放多餘電子，卻會釋放水分子中的氫原子。準確地說，我們可以理解為氫原子失去電子，從而只剩下質子，帶上正電荷。（原子核帶正電，其中有中子與質子，中子不帶電性）。

與此同時，我們便可以理解超離子冰命名實質：大量質子在冰中移動，而質子也被物理學家稱作「氫離子」（帶正電），因此這種冰塊才被命名為「超離子冰」。從質子在冰中移動，也可以推理出超離子冰可以導電的實質。

但這裡還有一個我們所需要思考的問題，氫原子在化學中所持有的相對穩定的結構是1，為何會輕而易舉的失去它僅有一個的電子呢？

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，我們可以簡單理解為由於外力使超離子冰中的各原子相互靠近，帶上一個正電的氫離子便可以向相鄰或者近處的水分子間移動。

以下是參考的圖片，可以更好解釋這一現象：

A 與氫原子在同一個水分子中，以共價鍵相連；B 則與氫原子與氫鍵相連此B則是與圖中氫原子相鄰的一個水分子

氫原子離B 的距離如此之近以至於它能捨棄唯一的電子，以帶正電的氫離子形式從A 運動到B

氫離子運動至B之後，由於以單鍵與氧原子相連，又因為壓強，溫度的提高帶來的能量也會使水分子自行旋轉。氧原子B 的旋轉使得質子朝向了另一個氧原子C

結論：質子就與C 連在了一起，許多質子在同時進行一樣的運動。電子在金屬中移動能產生電流，質子在水分子間的類似移動從而賦予了超離子冰導電的能力。在超離子冰中，巨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，從而以一種新方式產生了電流。

未來我們極有可能在這一新領域發現更多、挑戰無限可能，願我們持有積極的態度，在科學的海洋中遨遊，學習更多知識！

參考文獻：

1百度百科：冰

2百度百科：超純水

3CPS Joumals 中國物理學會 Fabrice Nicot

4新發現雜誌

5圖片：微信號sciencevie

（作者為 玉林中學學生 ，如有侵權，請來信告知）