外星行星上的神奇「塑膠冰」終於被發現！

科學家們終於觀察到了一種被稱為「塑膠冰」的奇特物質，這種冰存在於固態冰和液態水之間的混合狀態，可能形成於海王星和木星衛星歐羅巴等冰封星球的內部。在塑膠冰中，單個分子被固定在晶格中，就像固體一樣，但同時又能旋轉，就像液體一樣。

這種奇特的冰被認為存在於外星行星的深海之中，現在終於被證實存在。研究人員首次直接觀察到了一種稱為塑膠冰的水的混合相，這種冰在高溫高壓下形成，並表現出固態冰和液態水的特性。這項觀察結果於2月12日發表在《自然》雜誌上，可能有助於研究人員更好地理解太陽系內外其他星球的內部結構和過程，其中一些星球可能適合居住。

羅馬薩皮恩扎大學的物理學家Livia Bove解釋說：「塑膠冰是介於液體和晶體之間的東西，你可以想像當你擠壓它時它會更柔軟。」她說，之所以稱為塑膠冰，是因為它比典型的晶體冰更容易成型或變形，表現出科學家所稱的可塑性。「就像可以透過一個洞擠出來並出來的東西，即使它仍然是固體。」

地球表面的大部分冰——包括冰塊、冰川和雪——都是由排列成類似蜂窩的六邊形晶格的水分子組成。科學家將這種常見的冰分類為冰 Ih。但除了冰 Ih 之外，還有至少 20 種其他已知的冰相，它們在不同的壓力和溫度條件下形成。在超過 20,000 巴（即每平方英寸 20,000 公斤）的壓力下，冰晶格會壓縮成冰 VII，這是一種具有緻密立方結構的多晶型，其中的分子排列得像魔術方塊中的小方塊。冰 VII 已被發現存在於源自地函的鑽石中，並且被認為也存在於其他行星內部。而 Kurt Vonnegut 的粉絲可能會對 1996 年發現的冰 IX 感興趣，儘管它缺乏凍結整個海洋的可怕能力。

還有一些冰相僅被理論上認為存在。15 多年前，電腦模擬顯示，當冰 VII 被加熱並承受極端壓力時，其單個水分子應該開始自由旋轉，就像液體一樣，同時佔據固定位置，就像固體一樣。由於這種假設相與冰 VII 具有相同的立方晶體結構，因此被稱為塑膠冰 VII。但由於在如此高的壓力下進行實驗在當時技術上不可行，塑膠冰存在的確鑿證據多年來一直未能被科學家發現。

在這項新研究中，Bove 和同事們利用了法國格勒諾布林的勞厄-朗之萬研究所的一種相對較新的工具，該工具能夠測量極端壓力下分子的運動。在實驗中，他們將中子束指向水樣本，並將樣本加熱到高達 326°C 的溫度和高達 60,000 巴的壓力。當入射中子與樣本中的水分子相互作用時，它們會根據水分子的移動和旋轉程度獲得或失去能量，然後被散射到探測器。測量散射中子的能量使 Bove 的團隊能夠表徵分子的運動並識別形成的相。

在超過 177°C 和約 30,000 巴（約為地球海洋最深處壓力的 28 倍）的條件下，Bove 的團隊觀察到了一種冰相，該冰相具有立方晶格，水分子旋轉的速度與液態水中的水分子一樣快。他們將這種相識別為塑膠冰 VII，最終確認了它的存在。

然而，一個觀察到的細節與預測不同。水分子並沒有自由旋轉，而是以不穩定的動作擺動。Bove 解釋說，當分子旋轉時，它們會斷開與一個鄰居的氫鍵，然後迅速轉向與另一個鄰居鍵合。

西雅圖華盛頓大學的行星科學家 Baptiste Journaux 表示，塑膠冰 VII 可能曾經存在於歐羅巴、泰坦和太陽系中其他冰衛星的早期形成階段，當時所有水都還沒有從它們的高壓內部逃逸出來。他說，新的觀察結果可能有助於研究人員拼湊出這些衛星如何演化成今天海洋世界的故事。

Journaux 說，在太陽系之外，這種奇特的冰可能存在於系外行星的巨型海洋底部，其中一些海洋深達數千公里，可能適合居住。他說，研究塑膠冰 VII 如何容易地將鹽分納入其晶格中，可能有助於確定這種奇特相的存在是否增強了系外行星海底和上方海洋之間的鹽分交換。「這實際上會為海洋提供更多的營養。」