水是維持生命不可或缺的資源，而它能展現的形式與面貌也比我們想象中還多，比如可能存在於天王星、海王星等冰巨星深處的黑色超離子冰。最近，科學家成功利用先進光子源實驗重建了這些巨星上的冰結構，試圖釐清它們如何凍結成超離子狀態。
大家都知道水能以固態、液體或氣態形式表現，然而根據環境溫度與壓力條件不同，固態冰實際上能形成高達19種不同結構（分子堆疊形狀），其中一種極端形態為超離子冰（superionic ice），它就像液體和固體合二為一。
雖然模型已經預測了超離子冰相出現的條件，但若要指出精確溫度又有點含糊不清，只能靠實驗幫助確定液態與超離子狀態的變化路徑，然而不同實驗方法的觀察結果又存在巨大差異，因此想獲得可信度高的結論始終是個挑戰。
通常，水必須承受至少50GPa壓力（當地球大氣層下承受的力之50萬倍）並以高功率鐳射加熱，才能看到接近超離子冰的存在，因此，當阿貢國家實驗室的先進光子源（Advanced Photon Source，APS）同步加速器展開實驗、以相對溫和的20GPa擠壓並加熱夾在兩片鑽石中間的水分子時，研究團隊並沒有抱多大期望。
結果驚喜就出現在研究人員眼前了。
根據X射線從樣品上散射的方式，研究人員可以拼湊出內部原子的排列，而這場實驗讓團隊精確搭建出超離子冰的結構與特性。
從理論來講，其內部水分子排列為氧原子被周圍不安定的氫原子包圍著，想象有個立方體轉變為超離子相時，晶格會膨脹使氫原子四處遷移，而氧原子則穩定保持在中間位置，就像漂浮在氫原子海洋中的固態氧晶格。
事實也證明，超離子冰出現條件比模型預估的還要溫和，由於這些冰能影響一顆行星的磁場，釐清超離子冰的確切特性將有助於在其他行星尋找生命。
對科學家來說，超離子冰還有大量研究尚須鑽研，包括它們的電導率、黏度、化學穩定性、與鹽或其他礦物質混合時會發生的變化等。新論文釋出在《自然物理學》（Nature Physics）期刊。
（首圖來源：芝加哥大學）
