图像来自模拟冰十八。氧离子（红色）占据规则的晶格，而质子（白色）像液体一样扩散。学分：MauricedeKoningFilipeMatusalém

该研究的一个关键方面是密度泛函理论（DFT）的部署，这是一种源自量子力学的方法，用于固体物理学中解析复杂的晶体结构。

研究人员使用密度泛函理论来研究超离子冰或冰十八的机械性能，冰十八是一种水的结晶相，据信构成了冰巨星海王星和天王星的很大一部分。在这个阶段，负氧离子形成晶格，而正氢离子在其中形成液体，类似于金属导体。超离子冰只存在于极端温度和压力下，被认为会导致海王星和天王星磁场的错位。该团队使用包括神经网络和机器学习在内的计算技术来了解冰十八中的变形如何影响在这些行星上观察到的现象。

普通的日常冰，就像冰箱产生的冰一样，被科学家称为六角形冰（iceIh），并不是水的唯一结晶相。可以有20多个不同的阶段。其中之一被称为“超离子冰”或“冰十八”，除其他原因外，特别令人感兴趣，因为它被认为构成了海王星和天王星的很大一部分，这些行星通常被称为“冰巨星”。

在超离子晶相中，水失去其分子特性（H2O）：负氧离子（O2-）结晶成广泛的晶格，正氢离子（H+）形式的质子形成在氧晶格内自由漂浮的液体。

“这种情况可以与铜等金属导体进行比较，其很大区别在于正离子在金属中形成晶格，带有负电荷的电子可以自由地在晶格周围徘徊，”圣保罗州坎皮纳斯州立大学GlebWataghin物理研究所（IFGW-UNICAMP）教授MauricedeKoning说，巴西。

德科宁领导了这项研究，该研究发表了一篇文章发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，并登上了年11月8日发行的封面。

他解释说，超离子冰在5，开尔文（4，°C）的极高温度和约吉帕的压力下形成，或超过地球标准大气压的3万倍。因此，稳定的超离子冰不可能存在于我们的星球上。

然而，它可以存在于海王星和天王星上。事实上，科学家们相信，大量的冰十八潜伏在它们的地幔深处，这要归功于这些巨人巨大的引力场产生的压力，地震读数证实了这一点。

“质子通过氧晶格传导的电与为什么磁场轴与这些行星的旋转轴不重合的问题密切相关。事实上，他们明显错位，“德科宁说。

太空探测器旅行者2号在前往太阳系边缘和更远的旅程中飞过这些遥远的行星，其测量表明，海王星和天王星磁场的轴与各自的旋转轴形成47度和59度的角度。

实验和模拟

在地球上，年发表在《自然》杂志上的一项实验成功地在1纳秒（十亿分之一秒）内产生了少量的冰十八，之后材料解体。研究人员使用激光驱动的冲击波来压缩和加热液态水。

根据《自然》杂志的论文，六束高功率激光束以时间定制的顺序发射，以压缩封装在两个钻石表面之间的薄水层。冲击波在两颗刚石之间回荡，以实现水层的均匀压缩，从而在极短的时间内形成超离子晶相。

“在这项最新的研究中，我们没有进行真正的物理实验，而是使用计算机模拟来研究冰十八的机械性能，并找出其变形如何影响海王星和天王星上发生的现象，”德科宁说。

该研究的一个关键方面是密度泛函理论（DFT）的部署，这是一种源自量子力学的方法，用于固体物理学中解析复杂的晶体结构。“首先，我们研究了完美相的机械行为，这在现实世界中是不存在的。然后我们添加了缺陷，看看产生了什么样的宏观变形，“他解释说。

晶体缺陷通常是点缺陷，其特征是离子空位或来自其他材料的离子侵入晶格。在这种情况下并非如此。DeKoning指的是称为“位错”的线性缺陷，这是由于相邻层之间的角度差异导致起皱有点像皱巴巴的地毯。

“在晶体物理学中，位错是在年假设的，但在年首次通过实验观察到。这是一种缺陷，可以解释许多现象。我们说错位之于冶金学，就像DNA之于遗传学一样，“德科宁说。

在超离子冰的情况下，位错的总和会产生剪切，这是矿物学家、冶金学家和工程师熟悉的宏观变形。“在我们的研究中，我们计算了，除其他外，由于剪切而迫使晶体破裂需要多少，”DeKonig说。

为此，研究人员不得不考虑一个相对较大的材料细胞，其中有大约80，个分子。计算需要极其繁重和复杂的计算技术，包括神经网络、机器学习和基于DFT的各种配置的组合。

“这是这项研究最有趣的一个方面，整合了冶金学，行星学，量子力学和高性能计算方面的知识，”他说。