水是一個(gè)非常有趣的分子，它在不同的溫度和壓力下可以形成不同的固態(tài)結(jié)構(gòu)。在地球上，我們最常見(jiàn)的冰是六方晶系的冰 Ih，它是由四面體配位的氧原子組成的。但是當(dāng)壓力增加時(shí)，水分子之間的氫鍵會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致冰的結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變。例如，在大約2 GPa 時(shí)，冰 Ih會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楸?II，它是由八面體配位的氧原子組成的。隨著壓力繼續(xù)增加，還會(huì)出現(xiàn)其他類型的冰，如冰 III、冰 IV、冰 V等等。到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了19種不同類型的冰。

水也是構(gòu)成冰巨行星（如天王星和海王星）的主要成分之一。這些行星的內(nèi)部壓力和溫度非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了地球上水的常見(jiàn)狀態(tài)。在這樣極端的條件下，水會(huì)發(fā)生什么樣的變化呢？一種可能性是水會(huì)完全分解為氫原子和氧原子，形成一個(gè)金屬態(tài)的混合物。另一種可能性是水仍然保持分子結(jié)構(gòu)，但形成一種新型的冰相。

為了探索冰巨行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，我們需要了解水在極端條件下的相變和電導(dǎo)率。然而，實(shí)驗(yàn)上測(cè)量這些性質(zhì)是非常困難的，因?yàn)樾枰a(chǎn)生高達(dá)數(shù)百GPa的壓力和數(shù)千K的溫度，并且能夠?qū)λ慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的探測(cè)。

最近，一組科學(xué)家利用美國(guó)斯坦福大學(xué)的直線加速器相干光源實(shí)現(xiàn)了對(duì)水在冰巨行星內(nèi)部條件下的動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。他們使用一種叫做飛秒激光震波的技術(shù)，將一束強(qiáng)激光照射在水樣品上，產(chǎn)生一個(gè)高速的沖擊波，將水壓縮到高壓高溫狀態(tài)。同時(shí)，他們使用另一束X射線自由電子激光作為探針，對(duì)水樣品進(jìn)行X射線衍射分析，從而獲得水分子中氧原子的排列方式。

驅(qū)動(dòng)激光的波長(zhǎng)是800納米，持續(xù)時(shí)間是10皮秒。探測(cè)激光的波長(zhǎng)是1.5埃，持續(xù)時(shí)間是50飛秒。他們?cè)隍?qū)動(dòng)激光打在水樣品后的不同時(shí)間點(diǎn)上打探測(cè)激光，從而得到水在不同壓縮階段的X射線衍射圖像。

通過(guò)這種方法，他們發(fā)現(xiàn)了一種新的水冰相，命名為冰XIX，其結(jié)構(gòu)為體心立方（BCC）。這種結(jié)構(gòu)與之前理論預(yù)測(cè)的幾種立方或正交結(jié)構(gòu)不同，表明水在高壓高溫下有著復(fù)雜而豐富的相圖。冰XIX在200 GPa和約5000 K的條件下穩(wěn)定存在，并且接近于熔化邊界。這意味著，在冰巨行星的深層內(nèi)部，可能存在著一種具有較高電導(dǎo)率和流動(dòng)性的BCC水冰層。

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解冰巨行星的磁場(chǎng)和動(dòng)力學(xué)有著重要的意義。冰巨行星的磁場(chǎng)與木星和土星等氣態(tài)巨行星不同，呈現(xiàn)出非軸對(duì)稱、非偶極的特征。這可能是由于冰巨行星內(nèi)部存在著一個(gè)由離子化水組成的液態(tài)層，其對(duì)流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了復(fù)雜的電流和磁場(chǎng)。如果水在高壓高溫下發(fā)生了相變和電離，那么它的電導(dǎo)率和流動(dòng)性就會(huì)發(fā)生變化，從而影響磁場(chǎng)的形成和演化。因此，揭示水在極端條件下的物理性質(zhì)，有助于我們更好地認(rèn)識(shí)冰巨行星這一類神秘而迷人的天體。(www.wS46.com)