天王星和海王星深處發現奇異新物態

卡內基科學研究所最新計算研究顯示，在天王星和海王星等冰巨星的深層內部，常見元素碳和氫可能以一種前所未見的形式存在，這一新型物質狀態有望重塑科學界對行星內部結構和磁場形成機制的理解。

該研究由卡內基科學研究所的劉聰（Cong Liu）和羅納德·科恩（Ronald Cohen）主導，相關成果已發表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。 他們通過高性能計算，從量子力學第一性原理出發，對簡單的碳氫化合物（化學式為 CH，即碳氫化物）在極端高壓高溫條件下的行為進行了系統模擬。

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

劉聰和科恩的模擬覆蓋了約 500 至 3000 吉帕（相當于地球大氣壓的 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）的溫度區間，這一條件與冰巨行星深處環境相當。 結果顯示，在這樣的行星內部條件下，碳氫化物可以形成一種具有六方晶格結構的化合物：碳構成外側螺旋鏈條，氫則在內側形成螺旋鏈，并沿這些螺旋路徑進行定向遷移。

在這一結構中，材料呈現出所謂“準一維超離子態”（quasi-one-dimensional superionic state）。 超離子物質是一類介于固體和液體之間的特殊狀態：晶格中一部分原子保持固態有序排布，另一部分原子則可以像液體一樣在晶格中自由移動。 研究顯示，在這種新相中，碳骨架維持有序的六方晶體結構，而氫原子則主要沿著預先定義好的螺旋通道進行方向性運動，而非在三維空間中各向同性擴散。

科恩指出，這一新預言的碳—氫相之所以“格外引人注目”，就在于其原子運動并非完全三維，而是強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中十分罕見。 這種“準一維”超離子行為意味著，在這類物質內部，熱量和電荷的傳輸方式可能與傳統認識中各向同性的高溫流體截然不同。

對行星科學而言，這一發現具有多重潛在影響。首先，氫在晶格中的定向遷移，將直接影響深部物質的熱導率和電導率，從而改變行星內部能量如何由深層向外層傳遞。 其次，這種異常的導電性質可能與冰巨行星特殊的磁場形態存在關聯，有助于解釋天王星和海王星磁場結構相對地球和氣態巨行星（如木星、土星）更加扭曲、偏心的觀測特征。

近年來，人類已確認的系外行星數量超過 6000 顆，且仍在不斷增長，這推動了天文學、行星科學和地球科學領域更緊密的交叉合作。 通過觀測、實驗與理論模擬的結合，研究人員試圖描繪行星內部的物質狀態和物理過程，包括磁場的產生機制以及深部層狀結構的演化。 對太陽系內行星和衛星深處“看不見”的區域進行建模，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未得到充分認識。 本次工作表明，即使是最基本的化學體系，在極端高壓高溫之下也可以演化出復雜而出人意料的晶體和動力學結構，拓展了科研人員對高壓物質世界的認識邊界。

除了行星物理意義之外，這種具有強烈方向性傳輸特性的材料，也可能在更廣泛的材料科學與工程領域找到應用前景。 例如，在需要高度各向異性導電或導熱性能的場景中，這類超離子材料有望成為新型功能材料的理論藍本，為未來的能源與電子器件設計提供新的思路。