超离子态

美国科学家发现水在高温及超高压的状态下可能形成超离子(superionic)态. 在这种状态下, 水中的氢原子核可以如导体中的电子般自由活动. 科学家早在其它物质上观察到超离子态, 在这些超离子态的物质中, 有些原子是固定在晶格上, 其它的原子则可在晶体中自由移动. 而在1980年代及1990年代就有计算机仿真发现超离子态也可能存在于水中, 也就是氧原子会被冻结在不规则的晶格上, 而氢原子核(仅包含一个带正电的质子)则可在氧原子间跳跃. 可自由活动的氢原子核使得水具有导电性, 这也是一般纯水或冰所没有的性质. 在2005年四月一日出版的Physical Review Leters中, 美国Lawrence Livermore National Laboratory in California的研究人员发表了他们运用超级计算机仿真的新结果. 他们的结果也同样显示水在某些条件下是有可能形成超离子态的, 而且所需要的条件并不如之前所要求的那么严苛. 为了验证他们的模型, 他们将水滴压缩在两个钻石针尖中到几十万大气压的压力. 在这么大的压力下, 即使在高温水也会形成冰. 然后研究人员以雷射将这个迷你冰块加热到1000K以上. 另外他们也打另一道雷射光在冰上, 并透过监视这个雷射的散射光来量测冰的熔点. 当压力大于临界压力(大约为50万大气压)时, 在加热的过程中, 分子的振荡会在两个不连续的温度上分别出现突然的变化, 而非如传统的相变般只有在熔点时才会的变化. 因此在固态的冰和液态的水之间有一个中间态, 这也正是计算机仿真所预测的超离子态所会出现的位置. 虽然研究小组并没有更多直接的证据证明这个中间态就是超离子态, 但是假如计算机仿真的结果是正确的, 在这种状态下质子将能以高速在水中移动并导电. 它们更可能存在于海王星及天王星中并提供电流而产生如NASA's Voyager 2 probe所量测到的高强度的磁场. 研究小组的Goncharov表示, 以前认为这些电流与存在行星内的液态物质有关, 但是这个新的结果暗示了超离子态也可能存于这些行星中并形成强磁场. Carnegie Institution of Washington, DC的Russell Hemley表示, 这的确是很漂亮的量测及计算. 但是他也强调, 还是需要有更多的工作来确定是否为超离子态, 而最直接的方法就是去量测传导率. 此外他也指出地球的地幔(mantle)也许存在很多的水, 而这些水也许有些也是以超离子态存在.

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