美國倫斯利弗莫爾實驗室製造出一種介於液固之間的超離子水

【本刊訊】1946 年,獲得諾貝爾獎的科學家布里奇(Percy Bridgman)發現5 種不同結晶形式的水冰(water ice),因此展開超過100 年的研究,探討冰在各種不同極端條件下的行為改變。水,最有趣的特性之一在於它可以在高壓、加熱到上千度時變成超離子,類似於天王星與海王星的內部狀態,而最大的特徵是在於液態氫離子在固體晶格內移動。

1988 年,科學家透過完整的數據模擬和靜態壓縮技術來研究高壓水相圖等方法首次預測此物質,將它稱作「超離子水冰(superionic water ice)」。雖然觀察到這些間接證據,但卻沒有一個研究團隊能製造出超離子水冰,直接證明這項物質的存在。

來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)的研究團隊提出在行星內部中超離子水冰傳導的實驗,證實了30 年前的預測。研究團隊利用鑽石高壓砧(diamond anvil cells, DAC),並施加約2.5 萬大氣壓(2.5 GPa),將水壓縮成一種特殊狀態,稱作冰VII,是一種不同於一般冰塊的立方晶體形式。

然後,研究團隊將冰VII 轉移到羅切斯特大學的實驗室,對此物質進行雷射衝擊壓縮(laser-driven shock compression),向樣品發射出強烈衝擊波,使同時壓縮和加熱水冰,再使用干涉式超快速測速儀(interferometric ultrafast velocimetry)和高溫測量法來觀察壓縮水的光學特性,再10~20 奈秒(ns)的時間測定期熱力學性質,釋放壓力使樣品減壓,形成超離子水冰。

研究人員表示這項實驗十分具有挑戰性,為了這項實驗,研究團隊先花2 年時間進行測量,再花2年開發分析數據的方法。此外,這項發現對於天文科學家而言也具有重要影響,因為在天王星與海王星中可能也含有大量的超離子水冰。超離子水冰的發現,將有助於對天王星與海王星的研究。

新聞來源:Breanna Bishop, First experimental evidence for superionic ice, Lawrence Livermore National Laboratory, 2018/2/6.

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