地球上看不見的水：“超離子水”微觀結構首次被拍到

IT之家 1 月 17 日消息，科技媒體 Golem 昨日（1 月 16 日）發布博文，報道稱科學家利用超快 X 射線衍射技術，成功觀測到一種全新的“超離子水”結構。

超離子水的微觀結構示意圖，其中氧原子形成剛性晶格，而氫離子幾乎可以在其中自由移動。這種極端狀態通常只存在于大型行星的內部，而此次實驗是利用強激光進行的。（圖源：Greg Stewart / SLAC 國家加速器實驗室）

來自德國羅斯托克大學、法國 CNRS 綜合理工學院及赫姆霍茲德累斯頓-羅森多夫中心的研究團隊，利用超快 X 射線衍射技術，首次清晰觀測到一種前所未見的水的形態。

這種被稱為“超離子水”的物質展現出獨特的微觀構造：氧原子形成固定的晶格骨架，而氫原子核（質子）則像液體一樣在骨架間自由穿梭，這種奇特的“固液混合”態賦予了水極高的導電性能。

這一發現為行星科學解開了一個長期謎題。天王星和海王星這兩顆“冰巨星”擁有極不尋常的磁場，結構錯綜復雜，甚至擁有四個磁極，且磁場強度波動劇烈，部分區域遠超地球磁場。

研究團隊推測，其原因正是因為這兩顆行星內部深處充滿了這種高導電的超離子水。鑒于天王星和海王星的主要成分是水，科學家認為，這種在地球上罕見的超離子水，很可能才是太陽系中水最普遍的存在形式。

要讓水進入這種奇異狀態，條件極為苛刻。實驗數據顯示，只有在約 2500 開爾文（2200℃）的高溫和超過 150 吉帕（GPa）的壓力下才會發生相變。

150 吉帕相當于地球大氣壓的 150 萬倍，這種壓力在冰巨星內部司空見慣，但在實驗室中卻極難實現。研究人員通過快速連續的沖擊壓縮，成功在實驗室瞬間制造了高達 180 吉帕的極端環境。

實驗裝置示意圖，圖源：論文

維持這種極端狀態的時間極短，僅能持續數皮秒（萬億分之一秒）。為了捕捉這一瞬間的結構，團隊使用了與其持續時間相當的超快 X 射線激光脈沖進行探測。

觀測結果令人驚訝：在高壓下，氧原子的晶格并非完美排列，而是呈現出面心立方結構與六方堆積的混合形態，內部存在大量堆垛層錯。這表明即便在如此驚人的壓力下，水分子晶格仍未達到理論上最緊密的堆積狀態。

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