天王星和海王星深處發(fā)現(xiàn)奇異新物態(tài)

卡內(nèi)基科學(xué)研究所最新計(jì)算研究顯示，在天王星和海王星等冰巨星的深層內(nèi)部，常見元素碳和氫可能以一種前所未見的形式存在，這一新型物質(zhì)狀態(tài)有望重塑科學(xué)界對(duì)行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和磁場形成機(jī)制的理解。

該研究由卡內(nèi)基科學(xué)研究所的劉聰（Cong Liu）和羅納德·科恩（Ronald Cohen）主導(dǎo)，相關(guān)成果已發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。 他們通過高性能計(jì)算，從量子力學(xué)第一性原理出發(fā)，對(duì)簡單的碳?xì)浠衔铮ɑ瘜W(xué)式為 CH，即碳?xì)浠铮┰跇O端高壓高溫條件下的行為進(jìn)行了系統(tǒng)模擬。

天王星和海王星被歸類為“冰巨星”，現(xiàn)有觀測和模型顯示，這兩顆行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致可分為三層：最外層為氫氦大氣，中間夾著由“熱冰”構(gòu)成的厚層，最內(nèi)層則是巖石和金屬組成的致密核心。 科學(xué)界普遍認(rèn)為，這些“熱冰”主要由水（H?O）、甲烷（CH?）和氨（NH?）構(gòu)成；但在極端壓力和溫度下，這些物質(zhì)會(huì)表現(xiàn)出與常溫常壓完全不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

劉聰和科恩的模擬覆蓋了約 500 至 3000 吉帕（相當(dāng)于地球大氣壓的 500 萬至 3000 萬倍）的壓力范圍，以及約 4000 至 6000 開（約 6740 至 10340 攝氏度）的溫度區(qū)間，這一條件與冰巨行星深處環(huán)境相當(dāng)。 結(jié)果顯示，在這樣的行星內(nèi)部條件下，碳?xì)浠锟梢孕纬梢环N具有六方晶格結(jié)構(gòu)的化合物：碳構(gòu)成外側(cè)螺旋鏈條，氫則在內(nèi)側(cè)形成螺旋鏈，并沿這些螺旋路徑進(jìn)行定向遷移。

在這一結(jié)構(gòu)中，材料呈現(xiàn)出所謂“準(zhǔn)一維超離子態(tài)”（quasi-one-dimensional superionic state）。 超離子物質(zhì)是一類介于固體和液體之間的特殊狀態(tài)：晶格中一部分原子保持固態(tài)有序排布，另一部分原子則可以像液體一樣在晶格中自由移動(dòng)。 研究顯示，在這種新相中，碳骨架維持有序的六方晶體結(jié)構(gòu)，而氫原子則主要沿著預(yù)先定義好的螺旋通道進(jìn)行方向性運(yùn)動(dòng)，而非在三維空間中各向同性擴(kuò)散。

科恩指出，這一新預(yù)言的碳—?dú)湎嘀浴案裢庖俗⒛俊保驮谟谄湓舆\(yùn)動(dòng)并非完全三維，而是強(qiáng)烈偏向某些特定的螺旋路徑，這種高度方向性的遷移特征在行星物質(zhì)中十分罕見。 這種“準(zhǔn)一維”超離子行為意味著，在這類物質(zhì)內(nèi)部，熱量和電荷的傳輸方式可能與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中各向同性的高溫流體截然不同。

對(duì)行星科學(xué)而言，這一發(fā)現(xiàn)具有多重潛在影響。首先，氫在晶格中的定向遷移，將直接影響深部物質(zhì)的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，從而改變行星內(nèi)部能量如何由深層向外層傳遞。 其次，這種異常的導(dǎo)電性質(zhì)可能與冰巨行星特殊的磁場形態(tài)存在關(guān)聯(lián)，有助于解釋天王星和海王星磁場結(jié)構(gòu)相對(duì)地球和氣態(tài)巨行星（如木星、土星）更加扭曲、偏心的觀測特征。

近年來，人類已確認(rèn)的系外行星數(shù)量超過 6000 顆，且仍在不斷增長，這推動(dòng)了天文學(xué)、行星科學(xué)和地球科學(xué)領(lǐng)域更緊密的交叉合作。 通過觀測、實(shí)驗(yàn)與理論模擬的結(jié)合，研究人員試圖描繪行星內(nèi)部的物質(zhì)狀態(tài)和物理過程，包括磁場的產(chǎn)生機(jī)制以及深部層狀結(jié)構(gòu)的演化。 對(duì)太陽系內(nèi)行星和衛(wèi)星深處“看不見”的區(qū)域進(jìn)行建模，不僅有助于理解這些天體本身的行為，也有望為地外宜居性等問題提供線索。

劉聰指出，碳和氫是行星物質(zhì)中最常見的兩種元素之一，但在類巨行星條件下，這一簡單元素組合的行為遠(yuǎn)未得到充分認(rèn)識(shí)。 本次工作表明，即使是最基本的化學(xué)體系，在極端高壓高溫之下也可以演化出復(fù)雜而出人意料的晶體和動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，拓展了科研人員對(duì)高壓物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)邊界。

除了行星物理意義之外，這種具有強(qiáng)烈方向性傳輸特性的材料，也可能在更廣泛的材料科學(xué)與工程領(lǐng)域找到應(yīng)用前景。 例如，在需要高度各向異性導(dǎo)電或?qū)嵝阅艿膱鼍爸校@類超離子材料有望成為新型功能材料的理論藍(lán)本，為未來的能源與電子器件設(shè)計(jì)提供新的思路。