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它介于液体和固体之间,美国学者製造出「超离子水」

2020-07-03 830 views 526
它介于液体和固体之间,美国学者製造出「超离子水」

来自美国的研究团队于 5 日表示,他们成功在地球上创造了一种介于液体与固体状态的「超离子水」,他们相信这样的发现将能够解释许多天文学家怀疑已久的问题。

理论上,有这幺一个东西……

一直以来,天文学家均注意到天王星、海王星产生的磁场和地球很不一样,面对这奇怪的现象,科学家假设这是因为存在于天王星、海王星的水冰是一种既是液体,也是固体的「超离子水」(superionic water)。

星球的怪异磁场是因为它

他们认为,在理论上这种状态的「超离子水」会像金属一样导电,才会让天王星、海王星的磁场这幺奇怪,但是过去并没有人能证明「超离子水」存在。

它介于液体和固体之间,美国学者製造出「超离子水」

水分子特殊的性质,让科学家对此进行了各式各样的研究。

水分子的千万种风貌

一般来说,水是由两个氢原子、一个氧原子构成的分子,并以 V 字型的方式相互连结。当有非常多水分子聚集时,它们集体的结构会根据状态有所改变。

举例来说,当水分子处于液态时,水分子之间会因为氢键而与其他水分子随意却紧密地连结。但如果是在结冰状态,那幺水分子之间就会形成特定的堆积结构,形成更加稳固的晶体(冰)。目前科学家已经知道十几种「冰」的形态,就是因为水分子排列、堆积方式不同有关。

高压也会改变水分子

其实除了温度,水分子在施以高压的情况下,氢原子、氧原子也会跟着改组,形成其他晶体结构。目前科学家也已经知道十几种「冰」的不同形态。

它介于液体和固体之间,美国学者製造出「超离子水」

NASA 拍摄的海王星下半部。「超离子水」是在 1988 年第一次提出,直到现在才证实。

必须高压、高温才能满足条件

1988 年,科学家认为推测天王星和海王星高压、高温的环境,可能就是催生出「超离子水」的原因──一种氢以离子形态,自由移动于氧的晶体结构之间,形成了介于液体和固体之间的状态。

地球上看不到的型态

来自加州柏克莱大学地球和行星科学的教授让洛斯(Raymond Jeanloz)形容,这就像是「有一部分的水冰融化了」,而这种形态的水并不存在于地球。在 5 日,一份刊登于期刊《自然─物理学》的研究相信他们成功在地球上製造出了「超离子水」。

它介于液体和固体之间,美国学者製造出「超离子水」

团队的实际实验过程,当时他们正以雷射光照射「冰七」。

在常温也会结冰的「冰七」

当时让洛斯博士和他的同事在劳伦斯利佛摩国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)透过两片钻石,以每平方英吋 36 万磅的压力加压水,让水因为高压形成在室温环境也能形成的固态冰「冰七」(ice VII),密度是水的 60 倍高,施加的压力则是一般人在地球感受到压力的 25,000 倍。

用雷射光加压又加温

紧接着,该团队把冰块带到纽约罗彻斯特大学的实验室,照射高达摄氏数千度的雷射光线,藉此让冰块施加的压力提升到大气压力的 190 万倍。

它的密度很高  还会导电

研究者指出,他们观察到实验体的密度、温度有明显窜升,与此同时,里头的氢离子也出现导电情况,代表他们成功创造出既是固体也是液体的「超离子冰」。

它介于液体和固体之间,美国学者製造出「超离子水」

2016 年 5 月,一名艺术家根据克卜勒太空望远镜发现的星体,所绘製而成的太空图。

也许可以生成新物质

洛斯博士相信,科学家理论上知道分子会因温度和压力变化而改变物理性质,但只要科学家一一把这些假设透过实验化为现实,人们也可以开始思考生成新物质的可能性。

相信在天文学很重要

让洛斯博士也指出,这份研究对天文研究来说很重要,他说:「想要了解星球内部及演化过程,磁场是很重要的资讯。所以能够实际测试,甚至确实解释了天王星、海王星的怪异磁场,是很令人高兴的一件事。」

「另一方面,想到这两颗星球内有因为摄氏数千度高温而存在的『超离子水』,真的很让人难以置信,但这就是实验出来的结果。」

接下来,该团队计划要针对水施以更高压的实验,并把这项技术应用在其他物质,像是在木星、土星很常见的氦气。




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