天外奇异分子或许潜伏在天王星和海王星内部，影响它们的磁场

斯科尔科技科学家及其中国同事已确定了存在一种非常特殊的离子的条件。这种被称为氢氧离子的离子可以被理解为一个普通的水分子，其上附着两个额外的质子，导致净双正电荷。

研究小组认为，这种离子可能在冰巨星天王星和海王星的内部稳定存在，并且如果确实如此，那么它必须参与产生这些行星异常磁场的机制。这项研究发表在《Physical Review B》杂志上。

与木星和土星的磁场以及地球相比，人们对天王星和海王星的磁场了解得不够深入。

地球内部的液态铁镍合金的循环产生了磁力。在木星和土星的深处，氢被压缩成金属状态，以类似的方式产生磁场。

与此相反，天王星和海王星的磁场被假设来自离子导电介质的循环，其中组成离子本身是电荷载体，而不仅仅是支持结构，使电子流动。

如果行星科学家确切地知道哪些离子以及以何种比例参与其中，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。

斯科尔科技教授阿尔泰姆·R·奥加诺夫解释了离子导电和电子导电的区别以及新预测的离子在其中的位置：“我们认为，在那些条件下包围木星岩质核心的氢是液态金属：它可以流动，就像地球内部的熔融铁流动一样，它的电导率是由所有氢原子共享的自由电子导致的。

“在天王星中，我们认为氢离子本身——即质子——是自由的电荷载体。不一定是独立的H+离子，而是可能以氢氧离子H3O+，铵离子NH4+和一系列其他离子的形式存在。我们的研究增加了一种可能性，即H4O2+离子，它从化学角度来看非常有趣。”

在化学中，有sp3杂化的概念，它指的是电子轨道之间的结合方式，类似于制造可信的分子和离子的自然模板。根据sp3杂化，原子的核（例如碳、氮或氧）位于想象的四面体的中心点。

每个顶点都承载着一个价电子或两个不可用于与其他原子形成键的成对电子。最简单的例子将是一个碳原子，它在四个顶点上有四个未成对电子，加上四个氢原子，就得到一个甲烷分子：CH4。

对于氧原子来说，在外层壳中有两对电子，以及两个价电子，sp3杂化意味着只有两个顶点可以与氢形成共价键，剩下的两个被电子对占据，这就得到了H2O，水。

如果你将一个氢离子（一个质子）连接到其中一个电子对上，你会得到一个氢氧离子H3O+，这实际上就是在酸性溶液中得到的情况，因为酸会向溶液中提供质子H+，孤立的质子会立即被吸引到电子对附近。

“但问题是：你能否再向氢氧离子添加另一个质子来填补缺失的部分？在常规条件下，这种构型在能量上是非常不利的，但我们的计算显示有两件事可以实现。”中国南开大学的肖东教授说到，“首先，非常高的压力迫使物质减少体积，并且与氢离子（质子）共享以前未使用的氧电子对是一个巧妙的方法：就像与氢形成共价键一样，只是电子对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，因为这就是酸所做的事情——它们提供质子。”

该团队使用先进的计算工具来预测在极端条件下氢氟酸和水会发生什么。结果是：在约150万大气压和温度约3000摄氏度的压力下，模拟中出现了明显分离的H4O2+离子。

科学家们认为，他们新发现的离子应该在含压力和酸度的水介质的行为和性质中起重要作用。

这大致对应于天王星和海王星的条件，那里有一个极深的液态水海洋产生了极高的压力，并且也可能期望有一定量的酸。如果是这样，氢氧离子将形成并通过参与海洋的循环，将以与其他离子不同的方式影响这些行星的磁场和其他属性。

也许，氢氧离子甚至可能在这些极端条件下形成尚未知的矿物。