【轉載】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.


大行星裏可能有超離子水，處於這種奇怪狀態的水，堅硬如鐵、發出黃光

普通水

    化學家們重建了像海王星那樣的氣體大行星的內部環境，發現那裏的水可能有著非常奇特的性質。

    這些行星內部的環境是很極端的：超過1000℃的高溫，10萬倍大氣壓的壓強。在這滾燙的巨型熔爐裏，普通的物質也會變得很奇怪，這其中包括水。電腦模擬和現實實驗都證明了這一點。

    以前就有人預言，這種環境中的水將既不是液體，也不是固體，而處於某種“超離子”（superionic）狀態，其中氧原子固定不動，氫原子則高速移動。

    美國勞倫斯·利弗莫爾國立實驗室的Laurence Fried及其同事決定嘗試把水變成超離子狀態。為了製造出所需的巨大壓強，研究小組使用一種裝置將水擠壓在兩塊鑽石之間，用紅外鐳射束加熱。同時觀察水分子振動頻率，尋找頻率突然變化——即水的狀態發生變化的標誌。Fried說：“通過觀察，我們可以確定物質狀態的邊界，但並不知道邊界那邊到底是什麼。”
    科學家還研究了原子行為的電腦模型，顯示水的確進入了一種界于固體與液體之間的超離子狀態。追蹤一組60個倣真原子的變化，需要幾個星期的時間和相當於1000台手提電腦的運算能力。

超離子水  

    模型顯示，隨著溫度和壓強升高，水分子裂解，進入一種比普通的冰更緻密的非分子狀態，隨後進入超離子態。Fried承認，這很難想像。他解釋說：“最好把它想成一個由氧原子構成的固定網路，但氫原子可以自由移動。”

    如果將這樣的水帶到地球上的普通房間裏，它會爆炸。但在行星內部，它堅硬如鐵，而且由於高熱而發出淺黃色光芒。Fried在最近於聖迭戈舉行的美國化學學會會議上展示了這一成果。

    美國Carnegie研究所地球物理實驗室的高溫化學專家Russell Hemley說：“我認為這項成果非常漂亮，研究者既作了計算，也做了實驗，使它顯得很可靠。”他補充說，希望看到實驗室中超離子態水存在的更直接證據。Fried對此表示同意，其下一目標是測量熱量在超離子水裏的傳播速度。

    如果巨大氣體行星內部真的存在超離子水，則太陽系裏超離子水含量可能比普通水還多。他還說，超離子水的導電性可能非常好，從而使海王星和天王星擁有強磁場。