它介於液體和固體之間 美學者製造出「超離子水」

by:泥仔
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本周一,來自美國的研究團隊表示他們成功在地球上創造了一種介於液體與固體狀態的「超離子水」,他們相信這樣的發現將能夠解釋許多天文學家懷疑已久的問題。

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近日,一個來自美國的研究團隊表示他們製造出「超離子水」,研究者稱,該物質真的「處在一個很奇怪的狀態」。

Photo: George Hodan

理論上,有這麼一個東西......

一直以來,天文學家均注意到天王星、海王星產生的磁場和地球很不一樣,面對這奇怪的現象,科學家假設這是因為存在於天王星、海王星的水冰是一種既是液體,也是固體的「超離子水」(superionic water)。

星球的怪異磁場是因為它

他們認為,在理論上這種狀態的「超離子水」會像金屬一樣導電,才會讓天王星、海王星的磁場這麼奇怪,但是過去並沒有人能證明「超離子水」存在。

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水分子特殊的性質,讓科學家對此進行了各式各樣的研究。

Photo: maxpixel

水分子的千萬種風貌

一般來說,水分子是由兩個氫原子和一個氧原子所構成的分子,並以V字型的方式鍵結。水分子和水分子之間聚集時,會因為溫度和壓力會有不同的型態,像是水、水蒸氣或冰等。

舉例來說,當水分子處於液態時,水分子之間會因為氫鍵而與其他水分子隨意卻緊密地連結。但如果是在結冰的狀態,那麼水分子之間就會形成特定的堆積結構,形成更加穩固的晶體(冰)。目前科學家已經知道十幾種「冰」的型態,就是因為水分子排列、堆積方式不同有關。

高壓也會改變水分子

其實除了溫度,水分子在被施以高壓的情況下,氫原子、氧原子也會跟著改組,形成其他晶體結構。目前科學家也已經知道十幾種「冰」的不同型態。

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圖為NASA拍攝的海王星下半部。「超離子水」是在 1988年第一次被提出,直到現在才被證實。

Photo: NASA

必須高壓、高溫才能滿足條件

1988年,科學家認為推測天王星和海王星高壓、高溫的環境,可能就是催生出「超離子水」的原因——一種氫以離子的型態,自由移動於氧的晶體結構之間,形成了介於液體和固體之間的狀態。

地球上看不到的型態

來自加州柏克萊大學地球和行星科學的教授讓洛斯(Raymond Jeanloz)形容,這就像是「有一部分的水冰融化了」,而這種型態的水並不存在於地球上。在本周一(5),一份刊登於期刊《自然-物理學》的研究相信他們成功在地球上製造出了「超離子水」。

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圖為團隊的實際實驗過程,當時他們正在以雷射光照射「冰七」。

Photo: LLNL

在常溫也會結冰的「冰七」

當時讓洛斯博士和他的同事在勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)透過兩片鑽石,以每平方英吋 36萬磅的壓力加壓水,讓水因為高壓形成了在室溫環境也能形成的固態冰「冰七」(ice VII),其密度是水的 60倍高,被施加的壓力則是一般人在地球感受到的壓力的 2萬5,000倍。

用雷射光加壓又加溫

緊接著,該團隊把冰塊帶到了紐約羅徹斯特大學的實驗室照射高達攝氏數千度的雷射光線,藉此讓冰塊被施加的壓力提升到了大氣壓力的 190萬倍。

它的密度很高  還會導電

研究者指出,他們觀察到實驗體的密度、溫度有明顯竄升,與此同時,裡頭的氫離子也出現了導電情況,代表他們成功創造出既是固體也是液體的「超離子冰」。

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2016年 5月,一名藝術家根據克卜勒太空望遠鏡發現的星體,所繪製而成的太空圖。

Photo: NASA

也許可以生成新物質

洛斯博士相信,科學家們從理論上知道分子會因溫度和壓力變化而其改變物理性質,但只要科學家們一一把這些假設透過實驗化為現實,人們也可以開始思考生成新物質的可能性。

相信在天文學上很重要

讓洛斯博士也指出,這份研究對天文研究來說很重要,他說:「想要了解星球內部及演化過程,磁場是很重要的資訊。所以能夠實際測試,甚至確實解釋了天王星、海王星的怪異磁場,是很令人高興的一件事。」

「另一方面,想到這兩顆星球內有著因為攝氏數千度高溫而存在的『超離子水』,真的很讓人難以置信,但這就是實驗出來的結果。」

其他物質也要來試試

接下來,該團隊計畫要針對水施以更高壓的實驗,並把這項技術應用在其他物質上,像是在木星、土星上很常見的氦氣。