几十年前，科学家就提出超离子导体冰概念，也就是所谓的“冰十八”。他们认为超离子导体冰存在于天王星、海王星等冰巨星的地幔。但一直以来，没有一个人通过实验证明它们的存在。最近，科学家在罗切斯特大学的激光力学能实验室成功创造出超离子导体冰。超离子导体冰拥有一系列怪异的特性，有助于揭示天王星、海王星等冰巨星的谜团。科学家指出这种奇异水相可能遍布宇宙的每个角落。
超离子导体冰的发现有助于科学家揭开天王星、海王星等冰巨星的谜团
在纽约布莱顿的激光力学能实验室，科学家利用世界上最强大的激光轰击一滴水，所形成的冲击波让水的压力达到大气压的数百万倍，温度飙升到数千摄氏度。与此同时，X射线穿过水滴，让科学家首次目睹极端环境下的水形态。X射线观测结果表明冲击波内的水并没有成为超热液态或者气态，反而是原子冻结，形成水晶般透明的冰。正如隔壁房间中目不转睛盯着屏幕的科学家们所预期的一样。
这项实验由劳伦斯•利弗莫尔国家实验室物理学家费德丽卡•科帕里和马修斯·米洛特带队，研究发现刊登在《自然》杂志上。实验证明了所谓的“超离子导体冰”的存在。这是一种奇异的水相，拥有一系列不可思议的特性。与我们熟悉的冰不同，超离子导体冰“又黑又烫”，密度是普通冰的4倍。30年前，科学家首次提出理论，预言超离子导体冰的存在。尽管直到如今科学家才能确认它的存在，但他们一直认为超离子导体冰可能是宇宙中数量最多的水形态之一。
海王星，拥有与众不同的磁场
至少在太阳系，天王星和海王星内部的超离子导体冰数量超过其它水相，包括地球、木卫二“欧罗巴”和土卫二“恩克多拉斯”的液态水。超离子导体冰的发现有助于科学家揭开天王星和海王星等冰巨星的一系列谜团。这种奇异冰也就是所谓的“冰十八”，是一种新晶体。此前所有已知水冰都由完整的水分子构成，冰十八则截然不同。这种冰部分呈固态，部分呈液态。它们的水分子瓦解，氧原子形成一个立方晶格，氢原子自由流动，穿过晶格。
专家们表示冰十八的发现验证了电脑的预测，可以帮助材料学家在未来创造出拥有特定特性的新材料。发现这种冰需要进行超速测算，精确的温度和压力控制以及先进的实验技术。伦敦大学学院的克里斯托夫·萨尔兹曼表示:“5年前，科学家还无法做到这些。毫无疑问，这将产生巨大影响。”法国国家科技研究中心物理学家利维亚·波夫指出由于水分子瓦解，冰十八并不是一个真正意义上的新水相，而是一种新的物质形态。
罗切斯特大学激光力学能实验室的X射线衍射实验
模拟结果显示在极端压力和温度条件下，水分子会土崩瓦解。氧原子被禁锢在立方晶格，氢原子从一个位置跳到另一个位置。由于速度太快，它们仿佛液体一样流动。此外，氢原子还发生电离，本质上就是一个带正电的质子。这意味着冰十八能够导电，氢原子扮演电子的角色。此外，松散的氢原子还能提高冰十八的熵值，让这种冰的稳定性超过其它冰晶，进而导致融点飙升。
就在科学家首次预言冰十八前后，“旅行者2”号飞船进入太阳系外侧，并发现了天王星和海王星磁场的怪异现象。太阳系其它行星的磁场拥有明确的南极和北极，并没有太多其它结构。相比之下，天王星和海王星的磁场更为复杂，并不只有南北两极，与自转方向也不一致。一种可能性是，负责两颗冰巨星“发电机”运转的导电流体被禁锢在天王星和海王星的薄外壳，而不是进入地核。不过，这意味着它们可能拥有固态核心，而固态核心无法形成“发电机”。
罗切斯特大学的激光力学能实验室
在此前的一项实验中，物理学家发现了冰十八的间接证据。实验中，他们将一滴室温水塞入两颗钻石的尖端之间。当压力提高到一个吉帕斯卡（马里亚纳海沟底部压力的10倍左右），水滴变成四方晶体，也就是冰六。压力提高到两个吉帕斯卡后，变成了冰七，一种更致密的透明立方形态。最近，科学家在天然钻石内部发现了冰七。
借助激光力学能实验室的OMEGA激光器，米洛特和同事创造出冰十八。这一次的水滴仍夹在钻石砧之间。随着激光照射到钻石表面，蒸发的物质向上移动，把钻石往相反的方向推，让冲击波穿冰而过。与预想的一样，米洛特的团队发现冰十八的融点在4700摄氏度左右。由于带电质子的移动，这种冰能够导电。
哈勃望远镜2006年拍摄的天王星照片
在确定冰十八的特性后，科帕里和米洛特带领他们的团队分析冰十八的结构。萨尔兹曼表示：“如果想证明某种物质是晶体，你需要进行X射线衍射。”他们的新实验略过了冰六和冰七，利用激光轰击钻石砧之间的水滴。十亿分之几秒后，随着冲击波穿过，水开始晶体化，变成只有纳米大小的冰块。科学家利用16道激光束蒸发样本旁边的薄铁片，所产生的炙热等离子体让晶体被X射线淹没。冰晶让X射线发生衍射，允许研究小组推测它们的结构。
冰十八是水中原子重新排列的产物。很久以前，科学家就预言这种奇异冰的存在，但始终未能发现。现在，他们最终如愿以偿。科帕里表示：“这是一项重大突破。”
劳伦斯·利弗莫尔国家实验室物理学家费德丽卡·科帕里
分析结果显示虽然冰十八能够导电，但它们呈糊状固态，会随着时间推移流动。在天王星和海王星内部，流体层可能在8000公里处戛然而止，随之而来的是冰十八构成的地幔，导致发电机作用被限制在较浅的深度，进而造就了与众不同的磁场。太阳系的其它行星和卫星内部并不具备产生冰十八所需的温度和压力。很多系外冰巨星可能存在冰十八，说明在银河系的多冰世界，冰十八是一种常见物质。
