超离子水中混合密堆积结构的发现:对冰巨星内部结构的新约束

时间:2025年12月8日
来源:Nature Communications

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本刊推荐:为解决超离子(SI)水相图争议及氧晶格稳定性问题,研究人员通过激光驱动冲击压缩结合X射线自由电子激光技术,首次在150-180 GPa/2500-3000 K条件下观测到FCC-HCP混合密堆积结构,为理论预测的堆垛无序相提供实验证据,修正了行星内部模型的关键参数。

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在太阳系的冰巨星——天王星和海王星的深处,水并非以我们熟悉的液态或普通冰的形式存在,而是处于一种极其奇特的“超离子”(Superionic, SI)状态。这是一种介于固体和液体之间的神秘物态:氧原子被锁定在规则的晶体格点中,形成坚实的骨架,而氢离子(质子)则像液体一样在骨架间快速穿梭。这种独特的性质使得超离子冰可能主导着这些行星的内部结构、热演化甚至磁场的产生。然而,自其被理论预测以来,超离子水的真实相图——即不同晶体结构(如体心立方BCC、面心立方FCC)在何种高温高压条件下稳定存在——一直是高压科学和行星科学领域争论的焦点。实验数据尤为匮乏且相互矛盾,部分静态压缩实验在较低压力下(如30-60 GPa)报告的相变温度相差可达600 K,而在模拟行星内部条件的极高压区域(>100 GPa),由于实验技术难度极大,数据更是稀缺且结论不一。有的动态压缩实验指出FCC结构稳定,有的则支持BCC结构。这些不确定性严重阻碍了我们对冰巨星内部动力学和物理性质的准确理解。
为了解开这些谜团,由L. Andriambariarijaona和M. G. Stevenson共同领导的大型国际研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新成果。他们利用世界上最强大的X射线光源,对经历多重冲击压缩的水进行了超快X射线衍射测量,以前所未有的分辨率窥探了超离子水的微观结构,获得了突破性的发现。
研究人员主要运用了以下几项关键技术:首先,利用高能纳秒激光驱动冲击波,通过特殊的靶设计使水样品经历多次冲击压缩(动态压缩技术),以达到超离子态所需的极端压力(最高约180 GPa)和温度(最高约3000 K)。其次,结合X射线自由电子激光(XFEL)产生的超短(约50飞秒)、高亮度X射线脉冲,在压缩过程中对样品进行原位X射线衍射(XRD)探测,捕捉其晶体结构的瞬时信息。此外,利用速度干涉仪(VISAR)光学诊断技术精确测量冲击波速度等参数,并结合基于“AQUA”状态方程的水动力学校准模拟,来反演样品所处的精确压力-温度条件。最后,借助基于机器学习势函数的分子动力学(MD)模拟,与实验衍射数据进行对比验证。
结果与讨论
1. 高压区域发现混合密堆积结构
在压力超过150 GPa(最高达180 GPa)、温度约2500-3000 K的极端条件下,衍射图案清晰地显示出FCC结构(其111、200和220晶面对应的反射峰),这与早期部分研究一致。然而,高分辨数据表明,单纯的FCC模型无法完美解释所有特征。通过精修分析,研究人员发现必须引入堆垛无序(Stacking Disorder)模型,即面心立方(FCC)和六方密堆积(HCP)序列的混合,才能最佳地拟合实验数据。这种堆垛无序用参数α(表示在随机三层序列中出现HCP序列的概率)来量化,在本研究中α值介于0.25到0.32之间,表明晶体结构以FCC为主,但含有相当比例(25-32%)的HCP堆垛序列。这一发现为理论计算预言的混合密堆积(CP-SI)超离子相提供了首个直接的实验证据。研究还指出,这种微观结构复杂性可能影响超离子冰的输运性质(如粘度),进而影响冰巨星内部的动力学过程。
2. 中压区域BCC与FCC相共存
在压力约70-120 GPa、温度2000-2500 K的范围内,衍射图谱同时出现了BCC和FCC结构的特征峰。两种结构的峰宽相似,且计算得到的密度在误差范围内一致。这一现象不能简单地归因于温度梯度,而是与第一性原理(ab initio)计算预测在该P-T区域BCC和FCC相化学势非常接近甚至相等的结果相吻合,表明两种结构可能在该条件下局部共存。
3. 低压区域确认BCC结构稳定性
在更低的压力(约25-50 GPa)和温度(900-1300 K)条件下,衍射数据明确显示仅存在BCC结构,其衍射线指标化后得到的密度与BCC超离子冰的理论值相符,这与文献中在相似条件下的报道一致。
研究结论与意义
本研究通过高精度动态压缩X射线衍射实验,清晰地描绘了水在超离子区域内不同压力温度下的结构演化:从低压纯BCC相,到中压BCC-FCC共存相,再到高压下以FCC为主但含有显著HCP堆垛无序的混合密堆积相。这一结果支持了Weck等人和Forestier等人确定的BCC-FCC相边界,并对更高压力区域的相结构提供了新的、更精细的约束。研究首次实验证实了理论预言的超离子冰堆垛无序相的存在,将超离子水的结构认知提升到了接近常压冰Ih多型体的水平。
这项工作表明,水的超离子相图远比之前认识的复杂,它受到混合结构相和动力学效应的共同塑造。无论观测到的堆垛无序是超离子冰的本征特性,还是冲击加载诱导的亚稳态,其存在都可能对富含水的行星(如冰巨星)的内部结构、流变学和磁场产生机制产生重要影响。这项研究不仅增进了我们对水这一基本分子在极端条件下行为的理解,也为构建更准确的冰巨星内部模型提供了至关重要的实验依据,再次印证了水在宇宙中展现出的非凡物理性质。

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