大自然中，我們經(jīng)常可以看到水凝結(jié)成冰。

在地球的普通環(huán)境中，水形成的冰被稱為“冰Ⅰ”，我們經(jīng)常把這類冰放到冷飲中降溫，其分子形狀是我們熟悉的六邊形，也就是雪花的形狀。

當大氣壓增加10000倍時，在壓力的作用下，水會凝結(jié)成“冰Ⅵ”，其分子形狀變成棱柱形;繼續(xù)增加壓力，可以形成“冰Ⅶ”，其分子形狀會變成立方體。

如果繼續(xù)增加壓力呢?天文學(xué)家認為在部分行星的中心，可能存在黑色的“超離子冰”，也就是“冰XⅥ”。

超離子冰是突破了形態(tài)限制的冰，液態(tài)水和固態(tài)冰對于超離子冰來說沒有任何意義。

在超強的壓力作用下，超離子冰中的氧原子按照一定的順序排列，和普通的固態(tài)冰相同，但是氫原子卻失去了電子，成為帶電的離子，可以在固態(tài)冰中自由穿梭，就像在液態(tài)水中一樣。

超離子冰的密度是普通冰的4倍，在極端的壓力狀態(tài)下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似晶體，呈現(xiàn)出黑色的外觀，并且由于氫原子失去電子并且可以自由移動，超離子冰具有導(dǎo)電能力。

超離子冰的猜想，起源于天王星和海王星的磁場不平衡。

天文學(xué)家認為在天王星和海王星的行星內(nèi)部，巨大的壓力作用可能會形成超離子冰，這些超離子冰在星球內(nèi)部導(dǎo)電，從而導(dǎo)致行星的磁場出現(xiàn)偏移。

科學(xué)家也在實驗室中，利用高壓噴射，完成了超離子冰的創(chuàng)造，但目前超離子冰的存在時間只有幾納秒，并沒有足夠的時間進行研究?？茖W(xué)家正在尋找更加靜態(tài)的方式創(chuàng)造超離子冰，從而提供良好的研究環(huán)境。

地球磁場是一個相對平衡的磁場，并且磁極距離地球兩極的距離并不遙遠，但是天王星和海王星的磁極非常傾斜，并且磁極之間也不是一條直線，如此怪異的磁場，讓科學(xué)家懷疑兩個行星的內(nèi)部存在特殊的導(dǎo)電層。

超離子冰層的導(dǎo)電性，可以解釋兩顆星球的磁場異常，而且根據(jù)科學(xué)家對天王星和海王星的觀測，兩顆行星的內(nèi)部，確實存在形成超離子冰的條件。兩顆行星很有可能存在巨大的超離子冰層，其規(guī)模足以改變整顆星球的磁場。

我們都相信，正如我們在學(xué)校被教導(dǎo)的那樣，物質(zhì)的聚集狀態(tài)只有 3 種狀態(tài)，即固體、液體和氣態(tài)，典型的例子是水，它基于一定的溫度和壓力，可以提供自身，例如冰、液態(tài)水和蒸汽。

然而，這種描述顯然是還原性的，到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約 20 種不同的水分子聚集相，每一種都有不同的晶格，它們之間的物理和化學(xué)性質(zhì)指數(shù)也不同，只是以狀態(tài) VI 和 VII 為例，我將氫原子和氧原子放置在它們之間以形成立方體和棱柱，但沒有低估其他狀態(tài)也會改變與物質(zhì)電場和磁場的相互作用。

由該研究的合著者、芝加哥大學(xué)地球物理學(xué)家 Vitali Prakapenka 領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家成功地穩(wěn)定了一種新形式的水，即超離子冰，該理論于 1988 年首次由該大學(xué)研究員 Pierfranco Demontis 化學(xué)教授提出2018 年，加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員對其進行了短暫的觀察。

這是水的第十八相，直到現(xiàn)在還沒有人設(shè)法將其穩(wěn)定超過 20 納秒，這一壯舉對研究人員團隊來說是成功的，他們能夠記錄這一新相的晶體結(jié)構(gòu)，觀察如何，如果一方面氧原子被阻止形成標準冰中的固體結(jié)構(gòu)，氫原子則保持超流體狀態(tài)，事實上，在放棄電子后，它們變成帶正電的粒子，可以像它們一樣自由流動在流體中。

然而，需要更準確的測量，因此該團隊使用金剛石砧對水加壓，使其壓力達到地球壓力的約 350 萬倍，此時激光束將其加熱到高于地球上的溫度。太陽表面 導(dǎo)致它爆炸，此時稱為同步加速器的 X 射線發(fā)射器用輻射轟擊液滴，其衍射研究允許推導(dǎo)出其結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家在兩顆鉆石之間壓縮了一個水滴，并使用世界上最強大的激光器將其轟擊至類似恒星的溫度，結(jié)果形成了一種神秘的水狀態(tài)。目前科學(xué)家將其稱為“超離子導(dǎo)體冰”，這種怪異黑色水結(jié)構(gòu)存在于地球中心的壓力和溫度條件下，該項發(fā)現(xiàn)將幫助研究人員調(diào)查分析隱藏在其他星球內(nèi)核的秘密。

此前研究人員使用沖擊波創(chuàng)造了這種怪異的冰結(jié)構(gòu)，但僅20納秒就融化了，這項最新實驗標志著科學(xué)家首次創(chuàng)造出持續(xù)時間足夠長的穩(wěn)定超音速冰，10月14日《自然物理學(xué)》雜志發(fā)表了該項研究報告。美國芝加哥大學(xué)地球物理學(xué)家比塔利·普拉卡蓬說：“這是一個驚喜，每個人都認為該狀態(tài)水物質(zhì)很難復(fù)制，必須在更高的壓力條件下才能形成?！币后w、蒸汽和冰是水最常見的狀態(tài)，但水分子也可以形成代表不同結(jié)構(gòu)的其他排列，事實上，科學(xué)家已確定了水冰的20個狀態(tài)——在不同溫度和壓力下，氫原子和氧原子會以不同方式結(jié)合在一起。

最新發(fā)現(xiàn)的“超離子導(dǎo)體冰”是冰的第18個狀態(tài)，也是迄今為止發(fā)現(xiàn)最特殊的冰結(jié)構(gòu)之一，因為其氧原子在水是固體時被鎖定，但其氫原子脫離電子后成為離子，原子核因此剝奪了它們的電子，因此帶有正電，可以像液體一樣自由穿過冰。

普拉卡蓬說：“人們可以想象一個立方體，氧原子是立方體的固體點位，彼此由氫原子連接，最終形成一個立方體晶格，當它轉(zhuǎn)變成超離子狀態(tài)時，晶格會膨脹，允許氫原子四處移動，而氧原子則保持穩(wěn)定位置，這有點像漂浮在氫原子海洋中的固體氧晶格。這些游動的氫原子以一種可預(yù)測的方式阻止光線穿過冰層，從而使冰層呈現(xiàn)黑色。”

水是維持生命不可或缺的資源，而它能展現(xiàn)的形式與面貌也比我們想象中還多，比如可能存在于天王星、海王星等冰巨星深處的黑色超離子冰。最近，科學(xué)家成功利用先進光子源實驗重建了這些巨星上的冰結(jié)構(gòu)，試圖厘清它們?nèi)绾蝺鼋Y(jié)成超離子狀態(tài)。

大家都知道水能以固態(tài)、液體或氣態(tài)形式表現(xiàn)，然而根據(jù)環(huán)境溫度與壓力條件不同，固態(tài)冰實際上能形成高達19種不同結(jié)構(gòu)(分子堆棧形狀)，其中一種極端形態(tài)為超離子冰(superionic ice)，它就像液體和固體合二為一。

雖然模型已經(jīng)預(yù)測了超離子冰相出現(xiàn)的條件，但若要指出精確溫度又有點含糊不清，只能靠實驗幫助確定液態(tài)與超離子狀態(tài)的變化路徑，然而不同實驗方法的觀察結(jié)果又存在巨大差異，因此想獲得可信度高的結(jié)論始終是個挑戰(zhàn)。

通常，水必須承受至少50GPa壓力(當?shù)厍虼髿鈱酉鲁惺艿牧χ?0萬倍)并以高功率激光加熱，才能看到接近超離子冰的存在，因此，當阿貢國家實驗室的先進光子源(Advanced Photon Source，APS)同步加速器展開實驗、以相對溫和的20GPa擠壓并加熱夾在兩片鉆石中間的水分子時，研究團隊并沒有抱多大期望。

結(jié)果驚喜就出現(xiàn)在研究人員眼前了。

根據(jù)X射線從樣品上散射的方式，研究人員可以拼湊出內(nèi)部原子的排列，而這場實驗讓團隊精確搭建出超離子冰的結(jié)構(gòu)與特性。

從理論來講，其內(nèi)部水分子排列為氧原子被周圍不安定的氫原子包圍著，想象有個立方體轉(zhuǎn)變?yōu)槌x子相時，晶格會膨脹使氫原子四處遷移，而氧原子則穩(wěn)定保持在中間位置，就像漂浮在氫原子海洋中的固態(tài)氧晶格。

事實也證明，超離子冰出現(xiàn)條件比模型預(yù)估的還要溫和，由于這些冰能影響一顆行星的磁場，厘清超離子冰的確切特性將有助于在其他行星尋找生命。

對科學(xué)家來說，超離子冰還有大量研究尚須鉆研，包括它們的電導(dǎo)率、黏度、化學(xué)穩(wěn)定性、與鹽或其他礦物質(zhì)混合時會發(fā)生的變化等。新論文發(fā)布在《自然物理學(xué)》(Nature Physics)期刊。