[轉貼]水的超離子(superionic)態

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美國科學家發現水在高溫及超高壓的狀態下可能形成超離子(superionic)態. 在這種狀態下, 水中的氫原子核可以如導體中的電子般自由活動.

科學家早在其他物質上觀察到超離子態, 在這些超離子態的物質中, 有些原子是固定在晶格上, 其他的原子則可在晶體中自由移動. 而在1980年代及1990年代就有電腦模擬發現超離子態也可能存在於水中, 也就是氧原子會被凍結在不規則的晶格上, 而氫原子核(僅包含一個帶正電的質子)則可在氧原子間跳躍. 可自由活動的氫原子核使得水具有導電性, 這也是一般純水或冰所沒有的性質.

在2005年四月一日出版的Physical Review Leters中, 美國Lawrence Livermore National Laboratory in California的研究人員發表了他們運用超級電腦模擬的新結果. 他們的結果也同樣顯示水在某些條件下是有可能形成超離子態的, 而且所需要的條件並不如之前所要求的那麼嚴苛. 為了驗證他們的模型, 他們將水滴壓縮在兩個鑽石針尖中到幾十萬大氣壓的壓力. 在這麼大的壓力下, 即使在高溫水也會形成冰. 然後研究人員以雷射將這個迷你冰塊加熱到1000K以上. 另外他們也打另一道雷射光在冰上, 並透過監視這個雷射的散射光來量測冰的熔點. 當壓力大於臨界壓力(大約為50萬大氣壓)時, 在加熱的過程中, 分子的振盪會在兩個不連續的溫度上分別出現突然的變化, 而非如傳統的相變般只有在熔點時才會的變化. 因此在固態的冰和液態的水之間有一個中間態, 這也正是電腦模擬所預測的超離子態所會出現的位置.

雖然研究小組並沒有更多直接的證據證明這個中間態就是超離子態, 但是假如電腦模擬的結果是正確的, 在這種狀態下質子將能以高速在水中移動並導電. 它們更可能存在於海王星及天王星中並提供電流而產生如NASA's Voyager 2 probe所量測到的高強度的磁場. 研究小組的Goncharov表示, 以前認為這些電流與存在行星內的液態物質有關, 但是這個新的結果暗示了超離子態也可能存於這些行星中並形成強磁場.

Carnegie Institution of Washington, DC的Russell Hemley表示, 這的確是很漂亮的量測及計算. 但是他也強調, 還是需要有更多的工作來確定是否為超離子態, 而最直接的方法就是去量測傳導率. 此外他也指出地球的地幔(mantle)也許存在很多的水, 而這些水也許有些也是以超離子態存在.