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 _天王星

H4O F2和H4O F2·HF的晶体结构和电子定域功能。来源：物理评论B（2024）。DOI:10.1103/PhysRevB.109.174102
据斯科尔科沃科学技术研究所（尼古拉斯·波苏科）：Skoltech的科学家和他们的中国同事已经确定了一种非常特殊的离子存在的条件。它被称为aquodium，可以被概念化为一种普通的中性水分子，上面附着着两个额外的质子，产生净双正电荷。
该团队认为，该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，它一定在产生这些行星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
天王星和海王星的磁场不如木星和土星的磁场，或者我们自己的行星的磁场。
在地球内部，导电液态铁镍合金的循环产生磁性。在木星和土星的深处，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假设源于离子导电介质的循环，其中组成离子本身就是电荷载流子，而不仅仅是使电子流动的支撑结构。
如果行星科学家确切地知道其中涉及的离子和比例，也许他们就能弄清楚为什么冰巨星的磁层如此古怪：与行星的旋转方向不一致，偏离了它们的物理中心。
Skoltech教授Artem R.Oganov是这篇论文的合著者，他解释了离子导电性和电子导电性是如何不同的，以及新预测的离子在哪里符合这一点：“在这些条件下，木星岩石核心周围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，其导电性是由于所有氢原子压在一起共享的自由电子。
“在天王星中，我们认为氢离子本身，即质子，是自由电荷载流子。不一定是独立的H+离子，但可能是氢离子H3O+、铵NH4+和一系列其他离子的形式。我们的研究增加了一种可能性，即H4O2+离子，从化学角度来看，这非常有趣。”
缺少链接
在化学中，有sp3杂化的概念，它指的是电子轨道相互结合的方式，相当于制造看似合理的分子和离子的天然模板。在sp3杂化下，原子核——例如碳、氮或氧——占据假想四面体的中心点。
四个顶点中的每一个都有一个价电子或两个成对的电子，这些电子不可用于与其他原子键合。最简单的例子是一个碳原子，在四个顶点有四个不成对的电子——加上四个氢原子，你就会得到一个甲烷分子：CH4 。
对于在最外层有两个电子对和两个价电子的氧原子来说，sp3杂化意味着只有两个顶点可以与氢形成共价键，其余两个被电子对占据，从而产生H2O和水。
如果你把一个氢离子（质子）连接到其中一个电子对上，你会得到一个氢氢离子H3O+，这实际上是你在酸溶液中得到的，因为酸向溶液中提供质子H+，孤立的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再添加一个质子来填补缺失的部分吗？在正常条件下，这样的配置在能量上非常不利，但我们的计算表明，有两件事可以实现这一点，”中国南开大学的肖东教授说，他最初的想法是这项研究的基础。
“首先，非常高的压力迫使物质减少体积，与氢离子（质子）共享一个以前未使用的氧电子对是一种很好的方法：就像与氢的共价键一样，除了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，因为酸就是这样做的——它们提供质子。”
该团队使用先进的计算工具来预测氢氟酸和水在极端条件下会发生什么。结果：在大约150万个大气压的压力和大约3000摄氏度的温度下，模拟中出现了分离良好的水碘化物H4O2+离子。
科学家们认为，他们新发现的离子应该在水基介质的行为和性能中发挥重要作用，特别是那些在压力下和含有酸的介质。
这大致对应于天王星和海王星的情况，在那里，一个极深的液态海洋会产生极高的压力，预计也会产生一定量的酸。如果是这样的话， aquodium离子将形成，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。
也许，在这些极端条件下， aquodium甚至可能形成未知的矿物。