科学者、2000℃超で新たな形態の氷を作成

科学者、2000℃超で新たな氷の形態を作成

水は、人間の世界で最も一般的で不可欠な物質の一つです。

ほぼ万能の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。空から降ってきます。私たちは水に浸かり、飲み、楽しみのために水に没頭します。

しかし、単に液体として考えると、水は極めて奇妙であり、他の液体とは全く相容れない方法で振る舞います。凍ると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、分子量に基づけば、室温では気体であるはずです。

そして、それはすべて通常の、地球の環境条件下での話です。

圧力と温度を数段階調整すると、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）という凄まじい温度の下でのことです。

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それらの温度では、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。数百万気圧という過酷な圧力下では、この膨張は妨げられます。その代わりに、水は異常に高密度な状態を保ち、地球の表面で遭遇するどの氷とも異なる、エキゾチック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、完全に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、剛直な結晶格子の中に固定されたままです。しかし、水素原子核は移動可能で、その格子内を液体中の粒子のように拡散します。

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。水氷には約20数種類の既知の相があり、そのうちのいくつかは極端な条件下で超イオン化します。科学者たちは常に、より多くの相を探しています。

そして、それは単なる奇妙さのための奇妙さではありません。超イオン氷は、天王星と海王星の深部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す可能性があります。

［画像: Scientists Create a New Form of Ice at More Than 2,000 °C］

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・フォレスティエ率いるチームが、氷惑星の内部で予想されるような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サンプルを最大230ギガパスカルの圧力で挟み込み、レーザーを使用して数千度に加熱しました。これは、海面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。

次に、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。

その結果、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、すなわち六方最密充填（hcp）氷が現れました。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ています。

この名前は、酸素原子の配置を指します。同じボールを層状に詰めると想像してみてください。ボールをできるだけ密に詰めながら、それらの層を積み重ねる方法はいくつかあります。

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研究者が新しい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。

新しく特定されたhcp氷では、層の積み重ね順序が異なります。研究者たちは、層の位置が移動するにつれて、一方が他方に変換される証拠を発見しました。

この変換は、条件がより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、hcpのシグネチャはfccと比較して強くなりました。

最終的な条件である219ギガパスカル、2,630ケルビンでは、fccのシグネチャはほぼ消滅し、hcpが明らかに優勢になりました。

興味深いことに、これは研究者がhcp氷を生成した最初の機会ではなかったかもしれません。

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以前の実験からのデータを振り返り、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と認識しました。当時は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。

これは比較的小さな変化のように思えますが、原子スケールでの文字通りの変化ですが、その違いは太陽系にとって大きな意味を持つ可能性があります。

hcp氷がfcc氷とは異なる電気伝導性を持つ場合、天王星と海王星の深部にその存在があることは、物質と電荷がそれらの内部をどのように移動するかについて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、歪んだ磁場を生成に関与していると考えられています。

［画像: Scientists Create a New Form of Ice at More Than 2,000 Degrees］

研究者たちは、溶岩よりも熱い氷を作りました。（jhorrocks/E+/Getty Images）

しかし、私たちはまだhcp氷の特性を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、それら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。

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さらに、hcp氷がfccのそれと比較してどこで安定するのかを正確に特定するには、さらなる実験が必要になります。

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、生き残るためにそれに頼る必要があるというのは、ふさわしいように感じられます。

凍ったままでいてください、水よ。あるいは熱く。君の好きなように。

この研究結果は、Physical Review Letters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。