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研究:幾千度高溫「熱冰」導電性為水數百倍

在最新實驗中觀測到了幾千度高溫下水的冰晶態的藝術假想圖。(勞倫斯利弗莫爾國家實驗室)

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【大紀元2019年05月20日訊】(大紀元記者張妮編譯)加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory,簡稱LLNL)的物理學家在最新實驗中觀測到了幾千度高溫下水的晶態,發現這是一種導電性能為普通水的數百倍的一種「超離子態」,進而推測太陽系外圍行星天王星海王星上大量存在這樣狀態的水元素,造成它們獨特的磁場。

根據近期發表在《自然》(Nature)雜誌上的研究,LLNL的研究者們把很薄的一層水分子在100萬~400萬倍大氣壓、以及3000~5000華氏度的高溫條件下擠成固態。這個溫度接近太陽表面溫度的一半。

研究人員發現體在這樣的狀態下,導電性能是水在普通狀態下的數百倍。研究者說,這也是推測水變成超離子態的一個有力的證據。

超離子態是種奇特的狀態,兼具固體和部份液體的特性,在微觀下由晶體構成的矩陣結構中,又游離著帶有電荷的原子核。

水在超離子態下,氧原子被擠成固態晶體,而氫元素的質子卻如液態般四處「遊走」。上個月,另一個研究團隊證實了鉀元素在特定條件下可以同時表現出固體和液體的特性。

首次發現第十八種冰晶態

這個狀態雖然只維持了幾十億分之一秒,但是用精確定時的X光連續拍照觀察其微觀結構發現,氧原子呈現面心立方體(Face Centered Cube)形態,即立方體的每個頂角各有一個原子外,在六個面的中心還各有一個原子的立方晶格。

研究者之一Federica Coppari說,這是第一次觀察到冰晶體呈現這樣的排列形式。鑒於之前科學家已觀察到17種冰的晶體形態,該團隊提議把這種新結構名為第十八種冰晶態(Ice XVIII)。

沒有參與這份研究的同行、普林斯頓大學的物理學家Roberto Car告訴《國家地理》(National Geographic)雜誌:「物質能呈現如此的多樣性,真是令人震驚。」

天王星海王星古怪磁場之謎

研究者們認為,這種極端條件在地球的自然環境中不存在,但在天王星和海王星卻應該有著由超離子態冰晶構成的、相當於地球地幔的外殼。研究者們推測,這也許能解釋這兩顆行星磁場怪異的原因。

位於太陽系外圍的這兩顆「大冰星」含水量達65%,加上一些氨和甲烷,構成了類似地球的地幔和地心這樣不同的地層。

地球、木星和土星的磁場都類似,與自轉軸接近重合,就像有一根條狀大磁鐵穿過這些球體一樣。

然而海王星的磁場不一樣,猶如磁鐵棒偏離到球體的一側,兩端從極地與赤道近乎中間的位置穿出;天王星的磁場更不尋常,磁場的南北極和星體的南北極完全相反。科學家們估計,這兩顆行星的磁場都不穩定。

LLNL的物理學家、這份研究的主要作者Marius Millot認為,這兩顆行星超離子態冰層的外面可能還有一層液態水,但也是高導電態的水。兩顆行星的磁場可能起源於這樣的外層,比其它行星磁場的發源地更接近星體的「地表」。也許這是它們有著怪異磁場的又一個解釋。

天文學家現在已經發現了很多與天王星和海王星體積差不多的系外行星,研究者們表示,這些理論對瞭解更遙遠的行星也適用。◇

責任編輯:朱涵儒

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2019-05-20 12:39 PM
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