法国索邦大学Flavio Siro Brigiano与意大利理论物理中心Arthur France-Lanord联合团队在预印本arXiv刊登了一项颠覆性研究，首次证实水在极端高压高温（如行星内部环境）下可表现出超强酸特性。这种“极端超强酸”环境能催化甲烷等烃类化合物转化为复杂碳结构，甚至生成纳米金刚石。该发现为理解地球深部碳循环、冰巨星磁场异常以及新型材料合成提供了关键理论支撑。
研究背景：极端水化学的未解之谜
水在行星内部（如地幔、冰巨星流体层）承受着超高压（数十GPa）和高温（数千K），电离度大幅提升。此前实验发现，此类环境中甲烷与水混合物会转化为重烃和纳米金刚石，但具体机制不明。传统超强酸（如氟硫酸-五氟化锑）需在温和条件下人工合成，而自然极端环境中是否存在类似催化体系一直是科学谜题。
创新方法：计算模拟解码分子级反应
研究团队结合第一性原理分子动力学（DFT-MD）与机器学习原子间势能模型，模拟了含52个甲烷和76个水分子的混合体系在22-69 GPa、2000-3000 K条件下的行为。通过追踪质子转移、分子轨道变化，首次捕捉到瞬态中间体CH₅⁺（五配位碳正离子）的形成及演化路径。
突破性发现：水的“极端超强酸”特性
1.超强电离：压力超过22 GPa时，水电离产生大量H₃O⁺，电离度随压力升高从8.5%增至27.7%（图1），形成强质子化环境。
2.甲烷活化：高压使甲烷分子极化，偶极矩从0.73 D升至1.00 D（图2c），促使其接受质子生成CH₅⁺。该中间体寿命约0.1-1 ps，随后脱氢生成高活性CH₃⁺，驱动烃链增长。
3.三机制催化：
·M1机制：CH₅⁺脱氢形成CH₃⁺，攻击其他甲烷或水分子生成乙烷、甲醇（图3a）。
·M2机制：C-C键断裂重组，实现烷烃-醇类互变（图3b）。
·M3机制：双键中间体介导，形成丙烯等复杂结构（图3c）。
从甲烷到金刚石：碳结构的阶梯式演化
在45 GPa、3000 K条件下，团队通过增强采样技术观察到甲烷逐步转化为支链烃（如3-甲基戊烷）及含季碳（四配位）的金刚石类似结构（图3d）。该过程自由能垒低于27.8 kBT，证实高压水电离环境可自发驱动纳米金刚石成核。
科学意义：改写行星化学认知
1.行星内部：解释冰巨星（如天王星、海王星）内部甲烷转化为金刚石的“钻石雨”现象，或与其异常磁场形成相关。
2.地球化学：为深部碳循环中烃类稳定性及碳酸盐迁移提供新机制。
3.材料合成：为绿色合成纳米金刚石、高性能碳材料开辟高压水热催化新路径。
未来展望
通讯作者Arthur France-Lanord表示：“下一步将探索其他烃类（如乙烷）及含氮/氧体系的极端超强酸化学，并联合实验验证模拟预测。”该研究或推动高压反应器设计，实现碳中和背景下碳资源的高效转化。