在极端高压高温条件下，水会转变为超离子态——一种兼具固体与液体特性并能导电的物质。这种特殊形态被认为影响着天王星和海王星的磁场结构，并可能是太阳系中最常见的水形态。最新高精度实验显示，其原子结构远比预期更为混乱，融合了多种晶体排列模式而非单一有序结构。这一发现重构了人类对邻近及遥远冰质行星的认知框架。
这种不寻常的水相具有卓越的导电性能，这使其成为解释冰巨星周围观测到的奇异磁场的强有力候选物质。天王星和海王星内部深处被认为含有大量水分，这意味着超离子水可能是太阳系大部分区域中水的主要存在形式。
超离子水结构的长期谜团
科学家此前已在实验室实验中成功制造出超离子水，但其内部结构仍鲜为人知。早期研究提出，氧原子可能排列成两种简单立方晶格模式之一。这包括体心立方排列（在立方体中心多一个原子）或面心立方排列（原子占据每个面的中心）。
新研究揭示了现实情况要复杂得多。氧原子并未形成单一有序的排列模式，而是组装成一种混合结构，将面心立方区域与六方密堆积层结合在一起。在六方密堆积区域，原子以重复的六边形图案紧密堆叠。当这些区域与立方区域合并时，便产生了广泛的结构无序。原子形成的并非洁净、重复的晶格，而是一种只能通过先进X射线激光实现的极精确测量技术才能检测到的混合且不规则的序列。
在实验室中重现行星极端环境
为了揭示这些细节，研究人员进行了两项独立的实验。一项在美国LCLS的极端条件物质（MEC）仪器上完成，另一项在欧洲XFEL的HED-HIBEF仪器上进行。这些强大的设施使科学家能够在将水加压至超过150万个大气压、加热至数千摄氏度的同时，在万亿分之一秒内捕捉其原子结构的快照。
这些发现与最先进的计算机模拟高度吻合，并表明超离子水可以呈现多种结构形态，这与普通冰类似——已知普通冰会根据温度和压力以许多不同的晶相存在。这项工作强化了一个观点：尽管水看似简单，但在极端条件下仍持续展现出出人意料且非凡的行为。这些结果也有助于完善冰巨星内部结构和长期演化模型，而冰巨星被认为在宇宙中普遍存在。
*超离子水是水在远超地球表面环境的极高压力和温度下形成的一种特殊状态。在此相态中，水表现为固体，但氢离子可以在刚性的氧原子晶格中自由移动。这种独特的结合赋予了超离子水导电的能力。科学家认为它存在于大型行星的深层内部，那里天然存在这种极端条件。
本研究由德国研究基金会（DFG）与法国研究资助机构ANR的联合倡议支持。来自欧洲和美国的60多位科学家为实验和分析做出了贡献。