研究人員使用密度泛函理論來研究超離子冰或冰十八的機械性能，冰十八是水的一個結晶相，被認為構成了冰巨星海王星和天王星的很大一部分。在這個階段，負氧離子形成一個晶格，而正氫離子在其中形成一種液體，類似於金屬導體。

圖片來自模擬冰十八的結構圖局部，氧離子（紅色）佔據了一個規則的晶格，而質子（白色）像液體一樣擴散。資料來源：Maurice de Koning & Filipe Matusalém

超離子冰只在極端的溫度和壓力下存在，並被認為對海王星和天王星的磁場錯位做出了貢獻。該團隊使用包括神經網絡和機器學習在內的計算技術來了解第十八號冰的變形如何影響這些行星上觀察到的現象。

這項研究的一個關鍵方面是部署密度泛函理論（DFT），這是一種源自量子力學的方法，在固態物理學中用來解決複雜的晶體結構。

普通的日常冰，如冰箱產生的冰被科學家稱為六方冰（ice Ih），這並不是水的唯一結晶相。有20多種不同的相是可能存在的。其中一個被稱為”超離子冰”或”冰十八”，這特別令人感興趣，因為它被認為構成了海王星和天王星的很大一部分，這些行星經常被稱為”冰巨人”。

在超離子結晶階段，水失去了它的分子特性（H2O）：負氧離子（O2-）結晶成一個廣泛的晶格，而質子以正氫離子（H+）的形式形成一種液體，在氧晶格內自由漂移。

位於巴西聖保羅州的坎皮納斯州立大學格萊布-瓦塔金物理研究所（IFGW-UNICAMP）的教授莫里斯-德-科寧說：”這種情況可以與銅等金屬導體相比，最大的區別是正離子在金屬中形成晶格，而帶負電的電子可以在晶格中自由遊蕩。”

De Koning領導了這項研究，其結果是在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發表了一篇文章，並在其2022年11月8日的封面上刊登。

他解釋說，超離子冰是在5000開爾文（4700℃）範圍內的極高溫度和大約340千兆帕的壓力下形成的，或超過地球標準大氣壓的330萬倍。因此，穩定的超離子冰不可能存在於我們的星球上。

然而，它可以存在於海王星和天王星上。事實上，科學家們確信，大量的冰十八潛伏在它們的地幔深處，這要歸功於這些巨行星的巨大引力場所產生的壓力，這一點已被地震學讀數所證實。

“質子通過氧晶格傳導的電與這些行星的磁場軸線為什麼不與旋轉軸線重合的問題密切相關。事實上，它們明顯錯位了，”De Koning說。

空間探測器旅行者2號在前往太陽系邊緣和其他地方的旅途中飛過這些遙遠的行星，其測量結果顯示，海王星和天王星的磁場軸與它們各自的旋轉軸形成47度和59度的夾角。

在地球上，《自然》雜誌2019年報導的一項實驗成功地產生了1納秒（十億分之一秒）的極少量的冰十八，之後該材料就迅速瓦解了，研究人員當時使用的事激光驅動的衝擊波來壓縮和加熱液態水。

根據《自然》雜誌上的論文，六道高功率激光束以時間上定制的順序被發射，以壓縮封裝在兩個鑽石表面之間的薄水層。衝擊波在兩個堅硬的鑽石之間迴盪，以實現水層的均勻壓縮，從而在極短的時間內形成超離子結晶相。

“在這項最新的研究中，我們沒有進行真正的物理實驗，而是使用計算機模擬來研究冰十八的機械性能，並找出其變形如何影響在海王星和天王星上看到的現象，”De Koning說。

這項研究的一個關鍵方面是部署密度泛函理論（DFT），這是一種源自量子力學的方法，在固態物理學中用來解決複雜的晶體結構。”首先，我們研究了一個無缺陷相的機械行為，這在現實世界中並不存在。然後我們加入了缺陷，觀察會產生什麼樣的宏觀變形。”

晶體缺陷通常是以離子空位或其他材料的離子侵入晶格為特徵的點缺陷。在這種情況下卻不是這樣。De Koning指的是被稱為”位錯”的線性缺陷，這是由於相鄰層之間的角度差異導致的褶皺，有點像皺巴巴的地毯。

“在晶體物理學中，位錯是在1934年提出的，但在1956年首次在實驗中觀察到。它是一種缺陷，可以解釋許多現象。”De Koning說：”我們說錯位對於冶金學來說就像DNA對於遺傳學一樣。在超離子冰的情況下，位錯的總和產生了剪切力，這是礦物學家、冶金學家和工程師所熟悉的宏觀變形。在我們的研究中，除其他事項外，我們計算了需要對晶體施加多大的力才能使其因剪切力而破裂。”

為此，研究人員不得不考慮研究一個有大約8萬個分子的相對較大的材料單元。計算需要極其繁重和復雜的計算技術，包括神經網絡、機器學習，以及基於DFT的各種構型的組成。這是研究的一個最有趣的方面，整合了冶金學、行星學、量子力學和高性能計算方面的知識。