终于被证明存在着一种奇怪的冰,居住在外星行星的海洋深处。
研究人员第一次直接观察到一种称为塑料冰的水的混合相,在高温和压力下形成,并表现出固体冰和液态水的特征。该观察结果是2月12日在自然,可以帮助研究人员更好地了解太阳系及其他地区其他世界的内部建筑和过程,其中一些可能是可居住的。
塑料冰是“液体和水晶之间的中间事物,您可以想象它挤压时它会柔软,”罗马萨皮恩扎的物理学家利维亚·博夫(Livia Bove)说。她说,它之所以称为塑料冰,是因为它比典型的结晶冰更容易模制或变形,该冰层表现出了属性科学家称为可塑性。 “就像可以通过一个孔挤压的东西,即使它仍然很坚固。”
地球表面上的大多数冰(包括冰块,冰川和雪)由与蜂窝类似的六角形晶格中排列的水分子组成。科学家将这种常见的冰归类为冰LH。但是除了冰IH外,在不同的压力和温度条件下,至少还有其他20个已知的冰阶段。在超过20,000杆的压力下(或每平方厘米20,000公斤)压缩到ICE VII中,冰VII是一种具有密集的,立方结构的多晶型物,其中分子像奇异的立方体中的分子一样排序。发现冰VII已被发现起源于地球的地幔,被认为发生。而Kurt Vonnegut的粉丝可能会感兴趣冰IX于1996年发现,尽管它缺乏冻结整个海洋的可怕能力。
还有一些仅理论上存在的冰阶段。 15年前,计算机模拟表明,当冰VII加热并承受极端压力时,它的单个水分子应该开始自由旋转,好像是液体,同时占据固定位置,就像固体中一样。由于假设阶段与ICE VII具有相同的立方晶体结构,因此被称为塑料ICE VII。但是,由于在如此高的压力上进行实验在技术上是不可行的,因此多年来,塑料冰的存在的扎实证据避免了科学家。
对于新研究,Bove及其同事在研究所Laue-Langevin在格林布勒中,法国能够在极端压力下测量分子的运动。在实验中,他们将一个中子束指向水样品,并将样品的温度高达326°C,并压力高达60,000杆。当传入中子与样品中的水分子相互作用时,它们获得或损失了能量,具体取决于水分子的移动和旋转多少,然后散布在朝向检测器之前。测量散射的中子的能量使Bove的团队能够表征分子的运动并确定形成的相位。

Bove的团队在177°C以上且大约30,000杆(大约是地球海洋最深的压力的28倍)观察到了一个冰期,该冰具有一个立方晶体晶格,其水分子的旋转速度与液体水的速度一样快。他们将该阶段确定为塑料冰VII,最后确认其存在。
但是,一个观察到的细节与预测不同。水分子没有自由旋转,而是在生涩的运动中旋转。 Bove解释说,随着分子旋转,它们会与一个邻居打破氢键,仅与另一个邻居迅速转动并结合另一个。
西雅图华盛顿大学的行星科学家巴蒂斯特·乔纳克斯(Baptiste Journaux)说,在所有水从高压室内逃脱之前,塑料冰VII可能已经存在于欧罗巴,泰坦和其他冰冷月球的早期阶段。他说,新的观察结果可以帮助研究人员撰写有关这些卫星如何演变为当今海洋世界的故事。
Journaux说,除了我们的太阳系外,奇怪的冰可能会在系外行星的巨大海洋底部安息,其中一些是深层的,可能是数千公里的,并且潜在的居住。他说,研究塑料冰VII如何容易地将盐掺入其晶格中可以帮助确定奇怪的阶段的存在是否会增强外部海底和上面海洋之间的盐分。 “这实际上将为海洋提供更多的营养。”