水在2000℃高溫下竟可以結冰？科學家發現水的第20種形態：冰十八是什么東西
不知道大家第一回用高壓鍋的時候是不是都是膽戰心驚地，看著往外噴涌的白氣，生怕它下一秒就炸了。
這噴涌的白氣正是水在高溫的激勵下轉化成蒸汽的一種表現。我們都知道，水有三種形態：固態的冰、液態的水、氣態的蒸汽。其中液態水作為生命之源，塑造了地球萬物。
然而如果你只認為“水”僅有這三種形態那就大錯特錯了，僅僅是冰，在此之前我們就曾知道17種結晶態。不過這個數字在2019年和2020年先后更新成了18種和19種（加上液態與氣態，水的形態則是變成了20種和21種）。
其中第18種冰（第20種水）的溫度可以高達2000℃，被稱為“冰十八”，第19種冰則是我國科學家發現且證實的。
看到這里你可能會十分疑惑：“水在0℃結冰100℃蒸發，這是誰都知道的道理，怎么會蹦出一個2000℃的冰呢？”
實際上我們之所以擁有這個常識，是因為我們生活在標準大氣壓的環境下。如果氣壓改變，水的一些性質就會發生變化，就像是高原上氣壓低沸點可能只有八九十度。
那么相應的，如果氣壓高，那么水的沸點乃至冰的融點都會提升，如果氣壓足夠高，水將會變成一個我們無法想象的狀態，就像是上面說的溫度高達2000℃的冰十八。
或許你可能想不到，這種“無法想象”的水可能廣泛分布在我們的太陽系。
來自旅行者2號的異常
1986年1月24日，美國旅行者2號以81400公里的距離飛躍天王星。在最近接天王星的兩個小時里，旅行者2號仔細研究了天王星系統，成功發現了兩個環形系統和11個新的衛星。
然而，其攜帶的“磁場強度計”顯示的數據卻讓研究人員十分疑惑。
按照我們一般的理解，星球的磁場一般會有南北兩極，像是地球磁場就擁有南磁極和北磁極。而根據旅行者2號傳回來的數據，天王星的磁場極為復雜，并非僅有南北兩極，而且與其自轉方向也不一致。
木星磁場同樣的現象也出現在海王星身上。這似乎意味著兩顆巨星氣態星球的“發電機”運轉的電流并非運轉于地核內，而是被禁錮在星球的薄外殼中。
為了解釋這種反常的現象，科學家們在1988年首次預測了在天王星和海王星這種富含水的行星內部，由于極端壓力和極端溫度的存在，冰會變成一種反常的狀態——冰十八。
冰十八
“冰十八”是一種冰存在的形式，它是一種超離子導體，和此前所有已知的水冰有所不同，它部分呈現固態，部分呈現液態，原本的水分子瓦解，氧原子構成一個立方晶格，氫原子可以自由流動穿過晶格。
可以打個比方，原本的水分子是由一個氧原子拉著兩個氫原子組成，我們可以將氧原子視作父親，兩個氫原子視作女兒。在極端壓力下，氧原子與氫原子拉著的手被迫放開，為了保護女兒們的安全，氧原子們手拉著手組成了一個小房間，為氫原子組成了活動的空間。雖然結構變了，但是由于氧原子和氫原子的數目沒變，我們還認為它是一種水。
科學家們認為，正是冰十八廣泛存在于天王星、海王星的地幔中，才導致這兩顆星球的磁場異常。而且，這種形態的水在太陽系內的含量可能超過其他所有星球其他形態的水，包括地球、小行星帶等星球上的液態水和固態冰。
雖然科學家1988年就預測了冰十八的存在，但是直到2018年，科學家才從地球深處的鉆石中觀測到了冰7存在的證據。
顯然，單靠地球的能力我們可能永遠無法觀測到自然狀態下的冰十八，因此，科學家打算擼起袖子自己干。
在2019年5月8日，一篇發表自《自然》雜志的文章指出，來自美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學家們成功在高能激光和X射線的幫助下制造出了冰十八。
被六束激光支配的恐懼
當這一層薄薄的液態水躺在實驗臺上時，它們并沒有意識到接下來會發生什么。
隨著幾顆按鈕的按下，六束巨大的激光產生了一系列強度逐漸增加的沖擊波，瞬間給予這層薄薄的液態水相當于400萬倍大氣壓的壓力并將其加熱到最高2760℃的高溫。
為了記錄結晶變化過程并確定原子結構，研究人員用額外16束激光轟擊了一個微小的鐵箔，將其加熱成熱等離子并產生一束X射線。通過將X射線精確地照射壓縮水的樣本，記錄下X射線衍射圖，就能得到產生的全新冰晶的明確特征。
根據X射線得到的數據，激光轟擊下的液態水并沒有變成過熱液體或者過熱氣體，而是原子凍結成固體，形成一種全新的冰晶——冰十八。
就像上文所說，在冰十八中，氧原子會被禁錮成立方晶格，氫原子可以從一個位置跳到另一個位置，但是由于速度很快，仿佛就像是流動一般。松散的氫原子還可以提高冰十八的熵值，增加其穩定性，提高融點。
同時氫原子還會電離產生帶正電的質子，這意味著冰十八能夠導電。科學家認為，正是冰十八的導電能力，使得天王星與海王星的磁場混亂。
冰十八看上去是黑色的，同等體積的冰18的質量是普通冰的4倍。
科學家分析，在天王星和海王星的內部，流動的液體層可能會在距地心8000公里處停止，再往深處就是由冰18構成的“地幔”。由于冰18不同以往的導電能力，從而促使這兩顆星球產生了不同的磁場。
除了冰十八外，中國科學家也在今年，也就是2020年發現了冰的第19種形態，也是水的第21種形態：二維冰Ⅰ相。
中國成果
2020年1月1日，由北京大學、美國內布拉斯加大學和中科院的研究團隊撰寫的論文發布在了頂級期刊《自然》上。根據該論文的描述，研究人員首次證實了二維冰的存在，并將其命名為“二維冰Ⅰ相”。
在實驗中，研究人員通過控制溫度和壓力，在疏水的金襯底上生長出一種單晶二維冰結構，每個水分子與同一層水分子形成三個氫鍵，與上下層水分子形成一個氫鍵，由于氫鍵飽和，這個結構的冰晶十分穩定。
這些冰晶不再是傳統的四面體結構，而是六邊形二維結構。
通過將二維冰的溫度從-153℃快速降到-268℃，科學家成功將二維冰生長過程凍結下來，并進行了穩定的成像觀測。
早在1997年，美國科學家古賀、曾曉成等就曾預言過這種冰的存在，但直到這次實驗，人們才首次真正得到了二維冰存在的證據。
寫在最后
超乎往常的條件會塑造超乎想像的物質，正如這溫度高達2000多攝氏度的冰十八。誰又能想到這極端的冰十八可能會比太陽系內所有的液態水加起來還要多呢？
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