2024年07月08日 用高温激光全力轰击一滴水会怎样

#长文创作激励计划#

“冰”，往小了说是炎炎夏日人们用以解暑而不可或缺的事物，往大了说是地球两极的重要组成部分——但这，还远远不是冰的全貌。

实际上，科学家们已经发现了整整18种冰。

这18种冰中，其实还存在着一种黑色的冰，它不仅能够导电，表面温度甚至还达到了太阳表面温度的一半，惊人的2000℃。

地表最强激光对一滴水的全力一击

2019年，来自罗切斯特大学的物理学家马里乌斯·米洛（Marius Millot）和费德丽卡·科帕里（Federica Coppari）正领导着一支由世界物理学界翘楚所组成的研究团队，在美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行一项极其精细的实验。

他们为实验准备了一个极其微小的水滴样本——注意，这可不是我们的日常印象中可以用肉眼感受、用手指触摸到的水滴，而是仅仅只有几微米大小的水滴样本。它被小心翼翼地放置在两个钻石砧座之间，这个设施在学界被称为“金刚石压腔”，用以产生数百万个大气压的极端压力，为实验创造必需的条件。

在这之后，团队即将进行的实验步骤将震惊整个科学界——他们要用世界上最强大的高能激光器对准样本，发动地表最强激光，对水滴来上全力一击！

激光脉冲将极快地穿透样本，这不仅将进一步大幅增加样本受到的压力，还可直接将样本加热到上千摄氏度——这一切过程，仅在100-200亿分之一秒内就将完成。

因此，科学家必须运用非常规的观察手段实时监测水滴样本的变化，例如X射线衍射、光学光谱学和其他高级诊断技术。在这种种手段的加持下，科学家们观察到了惊人的现象：液态的水在冲击波穿过后结晶成了纳米大小的冰立方，而在X射线衍射后，样本的晶体结构更是变得清晰可见！

再细微地观察样本，直至将其“解剖”至微观世界，科学家们目睹了一幅前所未见的画面。

众所周知，水分子（化学式为H₂O）由两个氢原子和一个氧原子组成。一般来说，水分子的两个氢原子围绕在氧原子的两侧，大约形成104.5°的角度。在中心的氧原子中，其核心的原子核由质子和中子组成，还有8个电子围绕在原子核周围；而氢原子的核心只有一个质子，同时围绕其转动的电子也只有一个。

在经历了激光的轰击后，水分子中的原子开始重新排列位置。氧原子开始“编织”一张特殊的网——立方晶格。这张立体“网”的每个角落和每个面的中央都有着氧原子。

而氢原子则在巨大的压力之下失去了自己内部仅有的一个电子，因此成为了带正电的离子。失去电子后，这些离子的体积变得非常微小，以至于可以在氧原子“编织”出来的固体晶格中自由流动。

这不仅使得这些离子表现出了导电性，还因为其流动时的速度极快，看起来好像是液体在流动一般，甚至赋予了样本最终形成的物质“既是固体（氧原子晶格结构），又是液体（流动的离子）”的奇妙特性。

最终，这一呈现不透明的黑色的、可以导电的、“固液共存”的“冰”就这么诞生了。它的密度极高，可达到水分子密度的60倍以上，故其结构也极为紧凑；它的表面温度也极高，达到了2000℃，这已经相当于太阳表面温度5500℃的一半。

这已经是科学家们有史以来发现的第18种不同形态的冰，于是科学家们把它叫做“冰18”。它还有一个更通俗一些的名字——“超离子冰”。遗憾的是，由于这样极端高温高压条件的十分难以维持，人造的超离子冰只在实验室中存在了极短的时间，但这已经足以解决科学家们的诸多困惑。

天王星、海王星之谜

当天文学家们将眼光放至遥远的天边，观察各种行星之时，他们会发现一个共同点：每个行星都有着自己的磁场，而这是由行星内部液态的导电物质所决定的，科学家们通俗地将其称为“发电机效应”。

以地球为例，地球的最中心有着一颗固体的内核，在这颗内核之外包裹着的是液体的外核，再外便是地幔和地壳，也就组成了我们脚踩的大地。地球的外核由熔融的铁和镍组成，这些金属液体有着良好的导电性，在自转的作用下，就形成了循环的电流，进一步又产生了磁场。

地球的磁场大致就像把一个条形的磁铁竖着放置于地球的中心一样，磁铁的N极位于地球的南极附近，磁铁的S极位于地球的北极附近。

实际上，太阳系的大部分行星的磁场都像地球这样，结构比较简单，也拥有着明确的南极和北极。然而，天王星和海王星的情况却大不相同。

天王星和海王星的磁场十分复杂，没有明确的南极和北极，反而有着多个不同方向的极，且其自转方式也非常特别——天王星几乎是“侧躺”着绕太阳公转，有着极大的自转轴与公转轨道平面的倾斜角度，达到了约98度；而海王星虽自转轴倾斜角度温和得多，只有28.32度左右，但自转速度却十分快速，自转一圈只需要15小时57分59秒。

天王星和海王星的磁场为什么这么独特？这一问题困扰了科学家们很长的一段时期。按照科学家们观察其他行星的结果，天王星和海王星的内部应该也有液态的导电流体，从未考虑过其内部“存在固体内核”的可能性。然而，若其内部也是液态的导电流体，那么两个行星的磁场应该与其他太阳系行星类似才对。

约翰·霍普金斯大学的物理学家萨拜因·斯坦利（Sabine Stanley） 曾这么说：“我过去常常开玩笑说，天王星和海王星的内部实际上是不可能是固态的。但现在的事实证明，它们还真可能是固态的。”没错，超离子冰存在的证实正好解决了这一疑惑。

天王星与海王星的内部有着极端高温高压的环境条件，有很大的可能存在大量的超离子冰，超离子冰作为可导电的固体，造成了两个行星混乱的磁场现象。

实际上，这并非天王星与海王星独有，宇宙中存在着大量类似于两个行星的“冰巨星”，其内部也将存在大量的超离子冰——也就是说，超离子冰虽然在地球的自然条件下难以诞生，甚至通过实验室人为创造条件也不能让其存在哪怕1秒，但在广袤无垠的宇宙中，这其实是大量分布的、常见的物质。

其实，超离子冰并非是“突然”出现于科学家们的视野中的。早在30多年前的1988年，就有人“预言”了超离子冰的存在。当时，意大利物理学家皮耶尔弗兰科·德蒙蒂斯（Pierfranco Demontis）正在进行一项关于物理计算机模型的项目，在计算机中，他模拟出了这种奇特的结构。

然而，当时的技术水平实在非常有限，难以营造出这种结构诞生所需的极端高温高压环境，于是相关的研究也没有继续往下进行——直到2019年正式人工创造出了超离子冰的那场实验。

18种冰都有啥？冰18要怎么用？

看完关于超离子冰的讲解，你可能会好奇一个问题：都说超离子冰是科学家们发现的第18种冰的形态，那么，前17种冰又都有些啥呢？

在我们地球的环境中，最常见的是冰1。它还分为两种亚型：冰1h和冰1c。其中，冰1h就是水分子六边形排列的冰形态，也就是我们日常生活中接触最多的，我们刻板印象中的“冰”。冰1c和冰1h非常相似，但晶体结构略有不同，需要在更高压的条件中形成。

随着压力的增加，冰的结构会随之发生改变，形成不同的多面体排列，这就是冰2至冰8的不同形态。继续加压，水分子的排列和结合方式会更加复杂，包括形成四面体、立方体等不同结构，这是冰9到冰16的不同形态。

在极端的高温高压条件下，冰17和冰18就诞生了，它们都具有非常特殊的结构和性质，但其中最为引人注目的无疑还是“超离子冰”冰18，它又固又液，还显示出水分子的超离子导电性。随着科学的发展，未来还可能发现更多的冰的形态，也就是冰18之后的冰19、冰20……

根据以往冰转变形态的经验来看，往后更多结构的冰的变化，应该也与环境的压力条件相关。

那么，如果有一天人类掌握了超离子冰的日常制造与维持形态的技术，超离子冰又可以给我们带来什么好处呢？

超离子冰有着极高的导电性能，这就意味着，它可以称为新型电池或超级电容器材料的研究对象。项目一旦落地，我们的手机、电脑，甚至是交通工具都将迎来代的更迭，我们的日常生活将肉眼可见地变得更快速、更便捷。

此外，超离子冰还可启发新型功能材料的设计，例如开发具有特殊光学、电学或热学性能的材料，或是成为寻找新型催化剂的契机，毫无疑问，这一切都将在我们的物理学、化学、材料科学、制造领域引发剧变。

地球上的生命来源于水，而经过上亿年的发展，这批曾经原始的有机物已经可以灵活地运用大脑，探索自己的“生命之源”——水分子的边界。相信在科学家们的努力下，在不久的将来，我们就可以更多地了解超离子冰的存在，甚至亲眼目睹它应用在我们的日常生活中。

★《布宫号》提醒您：民俗信仰仅供参考，请勿过度迷信！