科学者、2000℃超で新たな形態の氷を作成

科学者、2000℃超で新たな形態の氷を作成 物理学 2026年9月9日 By Michelle Starr GoogleでScienceAlertを追加 液体として見ても、水は極めて奇妙な物質です。（José Manuel Suárez/Wikimedia Commons/CC BY 2.0） 水は、私たちの世界で最も一般的で不可欠な物質の一つです。普遍的な溶媒としてのその特性なしには、私たちは文字通り機能できません。空から降り注ぎ、私たちはそれに浸かり、飲み、楽しみのために没頭します。しかし、液体として見ても、水は他の液体とは全く異なる振る舞いをし、極めて奇妙です。凍るときに密度が低くなります。表面張力は異常に高いです。沸点も同様です。そして、その分子量に基づけば、室温では気体であるはずです。これらはすべて、通常の地球の環境条件下での話です。圧力と温度を少し変えるだけで、水の異常な振る舞いはさらに手に負えなくなります。科学者たちは今、これまでで最も奇妙な形態の氷の一つを実証しました。それは、230万気圧という途方もない圧力と、2,630ケルビン（摂氏2,357度、華氏4,274度）という途方もない温度の下でのことです。そのような温度では、通常、水は間違いなく気体、さらには構成要素である酸素原子と水素原子に部分的に分解されていると予想されるでしょう。しかし、惑星の深部に存在する天文学的な圧力下では、興味深いことが起こります。水が液体から気体、つまり蒸気に変化する際、それは膨張します。数百万気圧という凄まじい圧力下では、この膨張は妨げられます。代わりに、水は異常に高密度であり続け、地球の表面で遭遇するどの氷とも異なる異質な形態をとることができます。その一つが、超イオン氷です。これは、固体でも液体でもない、非常に奇妙な物質の状態です。その酸素原子は、固体の場合と同様に、剛直な結晶格子内に固定されたままです。しかし、水素原子核は移動可能であり、液体中の粒子のようにその格子内を拡散します。わずかに異なる条件セットでは、酸素原子の配置が、相として知られる異なる構成にシフトします。水の氷には約20種類以上の既知の相があり、そのうちのいくつかは極端な条件下で超イオン氷になります。科学者たちは常に、さらに多くの相を探しています。そして、それは単に奇妙さのための奇妙さではありません。超イオン氷は、天王星と海王星の内部深くに存在すると考えられており、その異常な特性は、これらの惑星の同様に異常な磁場を生成する役割を果たしている可能性があります。超イオン氷の酸素と水素のドゥ・シ・ドゥ。（Goran tek-en/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0）彼らの新しい実験では、フランス代替エネルギー原子力委員会（CEA）の物理学者アレクシス・フォレスティエが率いるチームが、氷惑星の内部で予想される極端な条件に微量の水をさらしました。彼らは、ダイヤモンドの先端の間に水を挟み込み、最大230ギガパスカルの圧力で圧縮し、レーザーを使用して数千度に加熱しました。これは、海抜での地球の大気圧の230万倍に相当します（参考までに、地球の中心の圧力は約360ギガパスカルです）。その後、非常に狭いシンクロトロンX線ビームを使用して、氷の結晶構造の変化を調査しました。現れたのは、理論的には予測されていましたが、実験では明確に観測されたことのない構成でした。それは、六方最密充填（hcp）氷です。hcp結晶が加熱されると、その膨張も超イオン挙動のシグネチャを示し、約1,700ケルビンで超イオン状態に入ったことを示唆しました。この名前は、酸素原子の配置を指します。ボールを層状に詰めると想像してみてください。ボールを可能な限り密に詰めながら、それらの層を積み重ねるにはいくつかの異なる方法があります。研究者たちが新しいhcp氷相を観測した条件（塗りつぶされた三角形と塗りつぶされた円）は、極端な圧力と温度下でのその出現を示しています。（Forestier et al., Phys. Rev. Lett., 2026）以前に特定された超イオン氷の一形態は、面心立方（fcc）構造を持っています。新たに特定されたhcp氷では、層の積み重ね順序が異なります。研究者たちは、層が位置をシフトするにつれて、一方が他方に変換する証拠を発見しました。この変換は、条件がさらに極端になるにつれて発生するようです。155ギガパスカル、2,000ケルビンでは、X線プローブから観測されたシグナルは、fccとhcpの混合でした。197ギガパスカル、2,250ケルビンに引き上げると、fccに対するhcpのシグネチャがより強くなりました。最終的な条件（219ギガパスカル、2,630ケルビン）では、fccのシグネチャはほとんど消え、hcpが明らかに優勢になりました。興味深いことに、これが研究者たちがhcp氷を生成した初めてではないかもしれません。以前の実験のデータを振り返ると、130ギガパスカル以上で観測された以前は未特定だったX線回折ピークが、おそらくhcp氷のシグネチャであったことに気づきました。彼らは当時それを認識していなかっただけです。彼らの結果は、約200ギガパスカル以上の圧力では、hcpが超イオン氷のより安定した配置になる可能性があることを示唆しています。これは比較的わずかな変化のように思えますが、原子スケールでの変化ですが、太陽系にとっては大きな意味を持つ可能性があります。もしhcp氷がfcc氷とは異なる電気伝導性を持つ場合、天王星と海王星の内部深くにその存在があることは、内部の物質と電荷の移動方法のモデルを変更する可能性があります。これらのプロセスは、惑星の奇妙で乱雑で不均衡な磁場を生成すると考えられています。研究者たちは、溶岩よりも熱い氷を作成しました。（jhorrocks/E+/Getty Images）しかし、私たちはまだhcp氷の特性については実際には知りません。この物質は発見されたばかりです。研究者たちは、特にその機械的塑性と電気伝導性について、その特性を解き明かすためのさらなる理論的研究を奨励しています。関連：科学者たちは、同時に固体と液体の「超イオン氷」を作成しました。hcp氷がそのfccの対比に対して安定している圧力と温度の極端な範囲のどこに正確にあるかを特定するには、さらなる実験も必要になるでしょう。水は本当に奇妙であり、超イオン氷はさらに奇妙です。科学者たちは、この奇妙な分子ができることの表面をかじったにすぎません。ある意味では、私たちが生き残るためにそれに頼らなければならないのは、ふさわしいように感じられます。冷たく保つか、熱く保つか。君次第だ。この発見は、Physical Review Letters誌に掲載されました。この記事はRachel Garnerによって事実確認され、Rebecca Dyerによって編集されました。私たちはプロセスに誇りを持っていますが、私たちも人間です。間違いを見つけた場合は、お知らせください。