奇异冰XVIII是一个在质子海洋中游动的氧离子晶体

美国研究人员利用激波压缩来推断在极端压力和温度下形成的水冰的新型超离子相的结构。¹这一结果可能会对科学家了解太阳系内外众多冰冷行星的特性产生重要影响。

在日常生活中，水总是以三种状态之一存在。然而，在更极端的条件下，它可以呈现出许多奇特的相。在室温下压缩水，会使它通过几种不同阶段的冰而凝固，这些冰的密度更高，晶体结构也与日常冰不同。当压力进一步升高时，键的性质由共价键变为离子键。

1988年，宾夕法尼亚大学的研究人员预测，在100GPa和2000K左右的温度下，水会形成一个导电的“超离子”相，由固定的氧离子晶格中的自由质子组成。²随后，研究人员预测了多个超离子相，表明它们可能解释在海王星和天王星等行星上观察到的神秘磁场。

与这一预测相一致的是，实验结果表明，当压力从70GPa上升到180GPa时，冰的电导率增加了四倍多。然而，仍然有可能这是由自由电子造成的。但去年，马吕斯Millot和加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的同事们表明，即使电导率急剧上升，光学反射率仍然很低，从而排除了自由电子表明电导率一定是由离域质子引起的。^3.米洛解释说:“我们不能确定的是(这种材料)是否含有氧的晶格。”

在新的研究中，利弗莫尔的研究人员由米洛特和Federica Coppari利用纽约激光能量学实验室的Omega激光设备提供的精心定制的短x射线脉冲序列，同时压缩高达400GPa的液态水样品，并将其加热到2000-3000K。当水达到最大压缩时，研究人员将其他激光发射到铁箔上，向样品中释放脉冲x射线。他们利用所得的衍射图不仅推断出氧晶格晶体的存在，而且还推断出在249GPa和278GPa之间的压力下，从体心立方结构到新的面心立方结构的相变。研究人员将其命名为ice XVIII，并相信他们的技术可以广泛应用。米洛特说:“对于行星应用来说，最大的问题是，如果你考虑的不仅仅是纯水，而是水-氨等混合物，会发生什么。”

理论物理学家罗伯特的车美国普林斯顿大学的教授对氧晶格的发现印象深刻。然而，他警告说，研究人员对结构相变的解释“依赖于模拟，这些模拟本身就存在重大错误”。尽管如此，他说:“他们可以用这种技术达到这个温度和压力范围，这是非常重要的，远远超出了金刚石砧细胞的可能范围，并且可以在这些非常短暂的条件下测量x射线衍射模式等重要特性。”