地球上看不见的水:“超离子水”微观结构首次被拍到
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2026-01-24 16:43:16
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来源:市场资讯

(来源:IT之家)

IT之家 1 月 17 日消息,科技媒体 Golem 昨日(1 月 16 日)发布博文,报道称科学家利用超快 X 射线衍射技术,成功观测到一种全新的“超离子水”结构。

超离子水的微观结构示意图,其中氧原子形成刚性晶格,而氢离子几乎可以在其中自由移动。这种极端状态通常只存在于大型行星的内部,而此次实验是利用强激光进行的。(图源:Greg Stewart / SLAC 国家加速器实验室)

来自德国罗斯托克大学、法国 CNRS 综合理工学院及赫姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心的研究团队,利用超快 X 射线衍射技术,首次清晰观测到一种前所未见的水的形态。

这种被称为“超离子水”的物质展现出独特的微观构造:氧原子形成固定的晶格骨架,而氢原子核(质子)则像液体一样在骨架间自由穿梭,这种奇特的“固液混合”态赋予了水极高的导电性能。

这一发现为行星科学解开了一个长期谜题。天王星和海王星这两颗“冰巨星”拥有极不寻常的磁场,结构错综复杂,甚至拥有四个磁极,且磁场强度波动剧烈,部分区域远超地球磁场。

研究团队推测,其原因正是因为这两颗行星内部深处充满了这种高导电的超离子水。鉴于天王星和海王星的主要成分是水,科学家认为,这种在地球上罕见的超离子水,很可能才是太阳系中水最普遍的存在形式。

要让水进入这种奇异状态,条件极为苛刻。实验数据显示,只有在约 2500 开尔文(2200℃)的高温和超过 150 吉帕(GPa)的压力下才会发生相变。

150 吉帕相当于地球大气压的 150 万倍,这种压力在冰巨星内部司空见惯,但在实验室中却极难实现。研究人员通过快速连续的冲击压缩,成功在实验室瞬间制造了高达 180 吉帕的极端环境。

实验装置示意图,图源:论文

维持这种极端状态的时间极短,仅能持续数皮秒(万亿分之一秒)。为了捕捉这一瞬间的结构,团队使用了与其持续时间相当的超快 X 射线激光脉冲进行探测。

观测结果令人惊讶:在高压下,氧原子的晶格并非完美排列,而是呈现出面心立方结构与六方堆积的混合形态,内部存在大量堆垛层错。这表明即便在如此惊人的压力下,水分子晶格仍未达到理论上最紧密的堆积状态。

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