一种奇怪的分子可能潜伏在天王星和海王星内部影响它们的磁场

斯科尔科沃理工学院的科学家和他们的中国同事确定了一种非常特殊的离子的存在条件。这种离子被称为 aquodiium，可以理解为普通的中性水分子，上面附着了两个额外的质子，从而产生净双正电荷。

研究小组认为，这种离子在冰巨星天王星和海王星的内部可能是稳定的，如果是这样，它一定在导致这些行星产生异常磁场的机制中发挥了作用。这项研究发表在《物理评论 B》上

奇怪的磁性

我们对天王星和海王星磁场的了解还不如对木星和土星(或者我们自己的星球)磁场的了解那么深入。

在地球内部，导电的液态铁镍合金的循环产生了磁性。在木星和土星内部深处，氢被认为被压成金属状态，并以同样的方式产生磁场。

相比之下，天王星和海王星的磁场被推测源于离子导电介质的循环，其中组成离子本身就是电荷载体，而不仅仅是实现电子流动的支撑结构。

如果行星科学家确切地知道涉及哪些离子及其比例，也许他们就能弄清楚为什么冰巨星的磁层如此奇特：与行星自转方向不一致并偏离其物理中心。

论文共同作者、斯科尔科沃理工学院教授 Artem R. Oganov 解释了离子和电子电导率的不同之处，以及新预测的离子在其中的位置：“在这些条件下，围绕木星岩石核心的氢是一种液态金属：它可以流动，就像地球内部的熔融铁流动一样，它的电导率是由于所有氢原子挤压在一起时共享的自由电子。

“我们认为，在天王星中，氢离子本身(即质子)是自由电荷载体。不一定是独立的 H +离子，但可能是水合氢离子 H 3 O +、铵 NH 4 +和一系列其他离子的形式。我们的研究又增加了一种可能性，即 H 4 O 2+离子，从化学角度来看，这非常有趣。”

缺失环节

在化学中，有 sp 3杂化的概念，它指的是电子轨道相互结合的方式，相当于制造合理分子和离子的天然模板。在 sp 3杂化下，原子核(例如碳、氮或氧)占据假想四面体的中心点。

四个顶点各有一个价电子或两个成对电子，这些电子无法与其他原子形成键。最简单的例子是四个顶点有四个不成对电子的碳原子——加上四个氢原子，就得到一个甲烷分子：CH 4。

对于氧原子来说，它在最外层电子层上有两对电子，以及两个价电子，sp 3杂化意味着只有两个顶点可以与氢形成共价键，其余两个顶点被电子对占据，从而产生 H 2 O，即水。

如果将一个氢离子(质子)附加到其中一个电子对上，就会得到水合氢离子 H 3 O +，这实际上就是在酸性溶液中得到的，因为酸会将质子 H +捐献到溶液中，而孤对质子会立即被吸引到电子对上。

压力和酸

“但问题是：你能在水合氢离子中添加另一个质子来填补缺失的部分吗?在正常条件下，这种配置在能量上非常不利，但我们的计算表明，有两种方法可以实现这一点，”中国南开大学的肖东教授说，他的原创想法是这项研究的基础。

“首先，极高的压力迫使物质减小体积，而将氧与氢离子(质子)共享之前未使用的电子对是一种巧妙的方法：就像与氢形成共价键，只不过这对电子中的两个电子都来自氧。其次，你需要大量可用的质子，这意味着酸性环境，因为这就是酸的作用——它们捐献质子。”

该团队使用先进的计算工具来预测极端条件下氢氟酸和水会发生什么。结果：在压力约为 150 万个大气压、温度约为 3,000 摄氏度的情况下，分离良好的 aquodiium H 4 O 2+离子在模拟中出现。

科学家认为，他们新发现的离子应该在水基介质的行为和特性中发挥重要作用，特别是在压力和含酸的介质中。

这大致相当于天王星和海王星的情况，那里有极深的液态水海洋，会产生极高的压力，也可能会产生一定量的酸。如果是这样的话，水合离子就会形成，并通过参与海洋循环，以不同于其他离子的方式对这些行星的磁场和其他特性做出贡献。

或许，在这些极端条件下，aquodiium 甚至可能形成尚未知晓的矿物。