一種奇怪的分子可能潛伏在天王星和海王星內部，影響它們的磁場 _天王星

H4O F2和H4O F2·HF的晶體結構和電子定域功能。來源：物理評論B（2024）。DOI:10.1103/PhysRevB.109.174102
據斯科爾科沃科學技術研究所（尼古拉斯·波蘇科）：Skoltech的科學家和他們的中國同事已經確定了一種非常特殊的離子存在的條件。它被稱為aquodium，可以被概念化為一種普通的中性水分子，上面附著著兩個額外的質子，產生凈雙正電荷。
該團隊認為，該離子在冰巨星天王星和海王星的內部可能是穩定的，如果是這樣，它一定在產生這些行星異常磁場的機制中發揮了作用。這項研究發表在《物理評論B》上
奇怪的磁性
天王星和海王星的磁場不如木星和土星的磁場，或者我們自己的行星的磁場。
在地球內部，導電液態鐵鎳合金的循環產生磁性。在木星和土星的深處，氫被認為被壓成金屬狀態，并以同樣的方式產生磁場。
相比之下，天王星和海王星的磁場被假設源于離子導電介質的循環，其中組成離子本身就是電荷載流子，而不僅僅是使電子流動的支撐結構。
如果行星科學家確切地知道其中涉及的離子和比例，也許他們就能弄清楚為什么冰巨星的磁層如此古怪：與行星的旋轉方向不一致，偏離了它們的物理中心。
Skoltech教授Artem R.Oganov是這篇論文的合著者，他解釋了離子導電性和電子導電性是如何不同的，以及新預測的離子在哪里符合這一點：“在這些條件下，木星巖石核心周圍的氫是一種液態金屬：它可以流動，就像地球內部的熔融鐵流動一樣，其導電性是由于所有氫原子壓在一起共享的自由電子。
“在天王星中，我們認為氫離子本身，即質子，是自由電荷載流子。不一定是獨立的H+離子，但可能是氫離子H3O+、銨NH4+和一系列其他離子的形式。我們的研究增加了一種可能性，即H4O2+離子，從化學角度來看，這非常有趣。”
缺少鏈接
在化學中，有sp3雜化的概念，它指的是電子軌道相互結合的方式，相當于制造看似合理的分子和離子的天然模板。在sp3雜化下，原子核——例如碳、氮或氧——占據假想四面體的中心點。
四個頂點中的每一個都有一個價電子或兩個成對的電子，這些電子不可用于與其他原子鍵合。最簡單的例子是一個碳原子，在四個頂點有四個不成對的電子——加上四個氫原子，你就會得到一個甲烷分子：CH4 。
對于在最外層有兩個電子對和兩個價電子的氧原子來說，sp3雜化意味著只有兩個頂點可以與氫形成共價鍵，其余兩個被電子對占據，從而產生H2O和水。
如果你把一個氫離子（質子）連接到其中一個電子對上，你會得到一個氫氫離子H3O+，這實際上是你在酸溶液中得到的，因為酸向溶液中提供質子H+，孤立的質子會立即被吸引到電子對上。
壓力和酸
“但問題是：你能在水合氫離子中再添加一個質子來填補缺失的部分嗎？在正常條件下，這樣的配置在能量上非常不利，但我們的計算表明，有兩件事可以實現這一點，”中國南開大學的肖東教授說，他最初的想法是這項研究的基礎。
“首先，非常高的壓力迫使物質減少體積，與氫離子（質子）共享一個以前未使用的氧電子對是一種很好的方法：就像與氫的共價鍵一樣，除了電子對中的兩個電子都來自氧。其次，你需要大量可用的質子，這意味著酸性環境，因為酸就是這樣做的——它們提供質子。”
該團隊使用先進的計算工具來預測氫氟酸和水在極端條件下會發生什么。結果：在大約150萬個大氣壓的壓力和大約3000攝氏度的溫度下，模擬中出現了分離良好的水碘化物H4O2+離子。
科學家們認為，他們新發現的離子應該在水基介質的行為和性能中發揮重要作用，特別是那些在壓力下和含有酸的介質。
這大致對應于天王星和海王星的情況，在那里，一個極深的液態海洋會產生極高的壓力，預計也會產生一定量的酸。如果是這樣的話， aquodium離子將形成，并通過參與海洋循環，以不同于其他離子的方式對這些行星的磁場和其他特性做出貢獻。
也許，在這些極端條件下， aquodium甚至可能形成未知的礦物。