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水在2000℃高温下竟可以结冰?科学家发现水的第20种形态:冰十八

2020/6/24 0:25:55 来源:原创 浏览:

不知道大家第一回用高压锅的时候是不是都是胆战心惊地,看着往外喷涌的白气,生怕它下一秒就炸了。

这喷涌的白气正是水在高温的激励下转化成蒸汽的一种表现。我们都知道,水有三种形态固态的冰液态的水气态的蒸汽。其中液态水作为生命之源,塑造了地球万物。

然而如果你只认为“水”仅有这三种形态那就大错特错了,仅仅是冰,在此之前我们就曾知道17种结晶态。不过这个数字在2019年和2020年先后更新成了18种19种(加上液态与气态,水的形态则是变成了20种21种)。

其中第18种冰(第20种水)的温度可以高达2000℃,被称为“冰十八”,第19种冰则是我国科学家发现且证实的。

看到这里你可能会十分疑惑:“水在0℃结冰100℃蒸发,这是谁都知道的道理,怎么会蹦出一个2000℃的冰呢?”

实际上我们之所以拥有这个常识,是因为我们生活在标准大气压的环境下。如果气压改变,水的一些性质就会发生变化,就像是高原上气压低沸点可能只有八九十度。

那么相应的,如果气压高,那么水的沸点乃至冰的融点都会提升,如果气压足够高,水将会变成一个我们无法想象的状态,就像是上面说的温度高达2000℃的冰十八。

或许你可能想不到,这种“无法想象”的水可能广泛分布在我们的太阳系

来自旅行者2号的异常

1986年1月24日,美国旅行者2号81400公里的距离飞跃天王星。在最近接天王星的两个小时里,旅行者2号仔细研究了天王星系统,成功发现了两个环形系统和11个新的卫星。

然而,其携带的“磁场强度计”显示的数据却让研究人员十分疑惑。

按照我们一般的理解,星球的磁场一般会有南北两极,像是地球磁场就拥有南磁极北磁极。而根据旅行者2号传回来的数据,天王星的磁场极为复杂,并非仅有南北两极,而且与其自转方向也不一致。

木星磁场

同样的现象也出现在海王星身上。这似乎意味着两颗巨星气态星球的“发电机”运转的电流并非运转于地核内,而是被禁锢在星球的薄外壳中。

为了解释这种反常的现象,科学家们在1988年首次预测了在天王星和海王星这种富含水的行星内部,由于极端压力和极端温度的存在,冰会变成一种反常的状态——冰十八。

冰十八

“冰十八”是一种冰存在的形式,它是一种超离子导体,和此前所有已知的水冰有所不同,它部分呈现固态,部分呈现液态,原本的水分子瓦解,氧原子构成一个立方晶格,氢原子可以自由流动穿过晶格。

可以打个比方,原本的水分子是由一个氧原子拉着两个氢原子组成,我们可以将氧原子视作父亲,两个氢原子视作女儿。在极端压力下,氧原子与氢原子拉着的手被迫放开,为了保护女儿们的安全,氧原子们手拉着手组成了一个小房间,为氢原子组成了活动的空间。虽然结构变了,但是由于氧原子和氢原子的数目没变,我们还认为它是一种水。

科学家们认为,正是冰十八广泛存在于天王星、海王星的地幔中,才导致这两颗星球的磁场异常。而且,这种形态的水在太阳系内的含量可能超过其他所有星球其他形态的水,包括地球、小行星带等星球上的液态水和固态冰。

虽然科学家1988年就预测了冰十八的存在,但是直到2018年,科学家才从地球深处的钻石中观测到了冰7存在的证据。

显然,单靠地球的能力我们可能永远无法观测到自然状态下的冰十八,因此,科学家打算撸起袖子自己干。

在2019年5月8日,一篇发表自《自然》杂志的文章指出,来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家们成功在高能激光X射线的帮助下制造出了冰十八。

被六束激光支配的恐惧

当这一层薄薄的液态水躺在实验台上时,它们并没有意识到接下来会发生什么。

随着几颗按钮的按下,六束巨大的激光产生了一系列强度逐渐增加的冲击波,瞬间给予这层薄薄的液态水相当于400万倍大气压的压力并将其加热到最高2760℃的高温。

为了记录结晶变化过程并确定原子结构,研究人员用额外16束激光轰击了一个微小的铁箔,将其加热成热等离子并产生一束X射线。通过将X射线精确地照射压缩水的样本,记录下X射线衍射图,就能得到产生的全新冰晶的明确特征。

根据X射线得到的数据,激光轰击下的液态水并没有变成过热液体或者过热气体,而是原子冻结成固体,形成一种全新的冰晶——冰十八。

就像上文所说,在冰十八中,氧原子会被禁锢成立方晶格,氢原子可以从一个位置跳到另一个位置,但是由于速度很快,仿佛就像是流动一般。松散的氢原子还可以提高冰十八的熵值,增加其稳定性,提高融点。

同时氢原子还会电离产生带正电的质子,这意味着冰十八能够导电。科学家认为,正是冰十八的导电能力,使得天王星与海王星的磁场混乱。

冰十八看上去是黑色的,同等体积的冰18的质量是普通冰的4倍

科学家分析,在天王星和海王星的内部,流动的液体层可能会在距地心8000公里处停止,再往深处就是由冰18构成的“地幔”。由于冰18不同以往的导电能力,从而促使这两颗星球产生了不同的磁场。

除了冰十八外,中国科学家也在今年,也就是2020年发现了冰的第19种形态,也是水的第21种形态:二维冰Ⅰ相

中国成果

2020年1月1日,由北京大学、美国内布拉斯加大学和中科院的研究团队撰写的论文发布在了顶级期刊《自然》上。根据该论文的描述,研究人员首次证实了二维冰的存在,并将其命名为“二维冰Ⅰ相”。

在实验中,研究人员通过控制温度和压力,在疏水的金衬底上生长出一种单晶二维冰结构,每个水分子与同一层水分子形成三个氢键,与上下层水分子形成一个氢键,由于氢键饱和,这个结构的冰晶十分稳定。

这些冰晶不再是传统的四面体结构,而是六边形二维结构

通过将二维冰的温度从-153℃快速降到-268℃,科学家成功将二维冰生长过程冻结下来,并进行了稳定的成像观测。

早在1997年,美国科学家古贺曾晓成等就曾预言过这种冰的存在,但直到这次实验,人们才首次真正得到了二维冰存在的证据。

写在最后

超乎往常的条件会塑造超乎想像的物质,正如这温度高达2000多摄氏度的冰十八。谁又能想到这极端的冰十八可能会比太阳系内所有的液态水加起来还要多呢?

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看看网友怎么说

农震工:说的那么复杂干什么,就是把水高压高温保存而已,冰就是一种物质形态而已。科学家有时候很愚蠢

帅酷方:水在两千度时是冰 我想问问 这冰是冷的还是热的?如果是冷的 把它放在常温辶中 让它慢慢降温会变热吗???会变成水蒸汽吗? 如是是热滴 可以用手抚摸冰块吗???

创作者小蚂蚁:不止冰18可以导电吧,所有的水导电吧

王者荣耀小慕:冰18能点燃物体吗?

用户8529822890134:水19是二维的,假设在三维世界里的生物看到的物质都是三维物体。就算有一个四维物质摆在三维生物面前也只能看到三维形态并且无法知道此物体到底真的是三维物体还是一个四维物质的三维投影,但三维生物在观察二维物质的时候却可以准确知道是一个二维物体。我们都了解已知地球生物全是基于水的,假设有基于二维水也就是基于水19的生物。此生物必定是二维生物,在二维生物眼里的人类就变成了俗称的纸片人。别的三维物质也是一样,在二维生物眼里都是三维物体的二维投影。以此类推人类永远无法知道真相,更不可能用真相推演出真理。人类是三维生物,连四维物质都无法看见真实情况。而宇宙肯定不可能是三维世界,也就是说人类永远不可能知道真实的宇宙。庄子三千年前就说过其生有涯其识无涯以有涯逐无涯殆矣,现在人类借助科技力量已经比三千年前的人脑筋急转弯得多了。但仍然只是量变还没有到质变的程度,进化论说人类是猴子变的但没说人类是生物进化的终点。总有一天人类会基因突变进化成更高等级的四维生物,当四维人类回过头来看三维人类的科技文明无异于现在人类观察二维生物是一样的效果

冷夜冬月:刘慈欣的《三体》开篇就用台球解释并想像了出现物理规律在时间和空间上不均匀的可能,意味着也许我们人类目前普世的物理规律可能根本就是错的,只是在地球特殊的生存环境里我们自己觉得正确罢了。

呼明华:生活在常规大气压下的人类,往往会通过学到的非常有限的知识去分析事物,还就固执的认为自己一定是对的。这样的前提下,绝大多数人对世界本质的认知,往往也是非常幼稚的! 因为,常规大气压之外的世界更加广阔,许许多多的未知领域,用我们现有的知识去分析,往往会发生极大的错误! 在佛家的认知体系中,把人类这种固执的思维方式,称之为“所知障”。 只有真正的打破了所知障,人类的智慧才会不断提升!

用户9794716559752:中国古代的盘古开天辟地,你们不觉得和宇宙大爆炸有关吗?会不会古人见到的奇相,当时人们记录下来,而后来没有这个现象,我们就把他当做传说,从恐龙灭绝到人类出现文字,这中间有太多的事情可以发生,说不准《山海经》里记载的都是真实存在的!

用户7923149898422:2000度的液态冰可能是因为其中含有某些抗高温的化合物所导致的

小鱼儿7935:通过将二维冰的温度从-153℃快速降到-268℃,科学家成功将二维冰生长过程冻结下来,并进行了稳定的成像观测。 …… 绝对零度是-273.15°C,温度如何“降到-268°C?

一点金374:这种2000度的还叫水?结构都发生了改变了。从微观说原先旧键断裂了,形成了新键。标准的化学变化。

归去来兮皆是业:冰都有这么多种形态,更别说别的物质了。在银河系的中心高温高压高辐射的环境下,我们熟悉的物质都会以另一种分子结构表现,他们会不会孕育着另一种生命呢?

用户4053995859143:在外太空某个地方,有可能某种生物正在喝岩浆饮料。

今迈196220747:看过一本科学杂志,水还有一种状态 胶体,是在零下78度左右时形成的

河马的嘴:人类对这个世界的认知太有限了,以前一说冰,就知道是0度凉的,现在科学家发现了2000度的冰18,还有人问摸上去是凉的吗?这就是典型的被现有认知禁锢了头脑。有的时候在自己脑子里反复地想关于宇宙的事情,感觉快要郁闷喜了,还是别想它了。出去买个汉堡吃吧

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