固体还是液体

物质的相态无非三种，固态、液态、气态，三种相态决定了物质的基本物理特性，当然还有一种比较特殊了无相态流体。

不过这并不是真的没有相态，这种物质的形成条件往往非常苛刻，并且无法再常规环境种找到。

例如二氧化碳的超临界流体便是一种特殊的状态，它位于三者之间，并对地质科学研究有着很大的帮助。

在另外一项研究中，或许与超临界流有着些许相似的地方，它也同样需要极端的环境才能出现。

冰十八，也被称作超离子水。这是科学家在今天发现的水的另一种形态，这种看似不可能出现的物质居然真实存在。

简单描述的话，超离子水既是固体也是液体。

它所存在的环境完全可以颠覆我们常规的认知，水在℃的高温下也能够保持固态存在，以冰的形式出现。

关于超离子水，科学家最开始认为这确实有可能，并在天王星和海王星这样的大型气体行星中出现。

再早之前，美国物理学家玻西布里奇曼在年发现了水的5种固态相态。

后来的科学家在他的研究基础上进行了进一步研究，如今已知有超过17种结晶冰结构和几种无定形冰结构。

这里面关键的地方便在于水分子间较为弱小的氢键，极端环境和压力下，例如行星深处会出现各种水相，新的超离子水也正是在这样的环境下诞生。

科学家通过理论分析认为，当水超过吉帕的压力时，温度超过℃时，可能会出现超离子水。

水在这个时候，会通过氧固体晶格的空位扩散质子，使水的离子电导率超过每厘米西门子。

这个时候水的导电率会和金属一样高，当冰处在这种超离子状态时，想要融化它必须达到数千摄氏度。

由于水分子结构形成了紧密堆积的氧晶格，新的冰体形式便出现了。

90年代以前，科学家们主要利用分子动力学模拟来预测超离子水的存在。

虽然理论化了几十年，但在这之后，超离子水的实验证据才出现。

年的科学分析显示，海王星和天王星能够满足超离子水的存在条件，这两个星球中的氨和水便会以这样的形式出现。

而最初的实验证据则来自对金刚石砧室中，通过激光加热水的光学测量得到了初步认定。

进入21世纪后，科学家才通过实验室逐渐了解到超离子水的真相，并且可以利用实验器材进行超离子水的制作。

冰的第十八种状态

通过前面的介绍我们基本了解了超离子水的特性，显然这要在实验室中将它表现出来会非常困难。

研究人员首先用了一小滴水，这滴水只有30微米厚，1.5毫米宽，并被填充在两个薄金刚石圆盘之间形成的小空腔中。

然后，科学家将这一小滴水放置在罗切斯特大学的激光能量实验室中。

通过欧米茄激光靶室中心的真空状态，再使用6个高功率激光器产生一系列冲击波。

通过模拟高温高压的环境来对这一小滴水进行相态改变。

为了验证这部分的假设，研究人员在冲击波发射之后的十亿分之一秒内对样本进行了X射线衍射测量。

测量使用了一组额外的16束高功率激光进行，这样就能在1纳秒的时间内将焦的光发射进2平方毫米的薄铁箔中。

这片微小的贴箔会出现微米的光斑，并影响到上面的水滴。

如此强烈的辐射环境下，大部分铁箔片被蒸发并被电离成了热等离子体。

一开始会以非常特定的能量发射X射线光子，这是由于刚刚形成的极其微小的纳米冰块导致的。

其中一些X射线会被衍射，并被光束击中出现在图像板探测器中。

相关设备会帮助研究人员确认原子以规则的晶格进行排列，实验显示它们确实从液态水固化成超离子水冰的结晶氧晶格，时间仅用了3~5纳秒。

此次实验证实了超离子水冰的存在，所以像天王星这样的气态行星内部深处是很有可能出现这种物质的。

同时科学家还解释道，超离子水中的晶格有明确直接的特征，这种冰不应该像地球的液态铁流体一样快速转动。

相反，如果它出现在天王星中，它的表现形式应该和地幔类似。因此在地质时间尺度中，超离子冰会发生对流的情况。

如今的研究表明，超离子水可以帮助科学家更好地了解冰巨行星的内部结构，以及和它们类似的富含水的系外行星，甚至可以解释这类冰巨星的磁场。

根据NASA航海者2号的研究来看，天王星这样的冰巨星磁场与地球和其他行星的偶极场有很大不同。

天王星和海王星被称作冰巨星的原因在于，它们内部主要由水、氨和甲烷组成。

但极高的压力和温度恰好满足了这些物质的变化条件，因此科学家推测像超离子水这样的物质很可能是天王星的主要组成部分。

另外，还没有探测器对这类冰巨星进行更为细致的探索，所以人类在今天对它们的了解仍然很少，它们的内部环境仍然是一个谜。

目前来讲，这类冰巨星具有非常奇怪的非轴对称、非偶极磁场，这与太阳系中的其他行星完全不同。

尽管有不少行星在质量、密度方面的组成结构有着类似，但本质上它们有很大不同。

因为海王星内部有一个热源，但天王星几乎不排放任何物质，所以天王星看上去会更“冷”。

如今我们已经知道超离子水会影响磁场，不过相关的研究需要进一步进行，这对未来了解宇宙有着不少帮助。

冰巨星与冰

值得一提的是，冰十八在外观上会表现出很大的差异。

与我们一般见到的透明的冰晶体不同，超离子水形成的晶格体因为氧原子像固体中一样被锁定在了适当的位置。

而它的氢原子在电子被剔除后变成离子，原子核中的电子消失，因此它们为正电。

这使得冰十八便呈现出诡异的状态，既是固体，也能像流体一样缓慢运动。

我们也可以这样理解，如果把冰想成一个立方体，那么每个角落都会有一个由氢连接的氧原子晶格。

当它转变成新的超离子相时，晶格便会膨胀，氢原子四处逃窜，但氧原子会保持固定的位置，固体氧晶格就像是漂浮在氢原子海洋中。

对超离子水的实验和冰巨星的思考让科学家们相信，宇宙中大部分的水的表现形式可能都会是这种超离子相。

不过想要通过超离子水实验来完全揭示整个谜团还很困难，首先是制造这样一块冰太难了。

实验过程中无法确定氢气的位置，动态压缩实验中的温度测量也十分麻烦。

一般来讲，冰十八实验主要来自设计阶段和结果解释来为其提供相关指导。

不过在进一步的研究中，已经有科学团队在利用机器学习技术从量子计算机中去了解原子的相互作用。

从而在处理超离子水在长时间尺度的能力方面取得了进展。

通过机器学习的方法来优化分子动力学在实验中的表现，如此依赖便能使用先进的自由能采样方法以准确确定相界。

相关实验会在未来继续，尽管这在日常中并不能看见，但它在机器学习、冰巨星研究中有着不少作用，未来关于冰形态的研究让人充满信心。