要約:
氷は通常低温を意味しますが、超高圧環境では水が特殊な種類の「氷」を形成し、2000℃を超える温度でも存在する可能性があることを科学者らが確認しました。フランスの研究チームは最近、理論的には存在すると予測されていた新しいタイプの氷、つまり六角形の最密超イオン氷を実験室で作成することに成功した。この物質は通常の氷のように完全に固体ではなく、液体のように自由に流れることもできず、その独特の構造は、天王星や海王星などの氷の巨大惑星内部の異常に複雑な磁場を説明するのに役立つ可能性があります。
水は地球上で最もありふれた物質の 1 つであり、生命にとって不可欠です。しかし、物理的および化学的な観点から見ると、水は実際には多くの非常に異常な性質を持っています。たとえば、普通の液体の水は凍ると体積が膨張します。氷の密度は液体の水の密度よりも低いです。また、水は異常に高い表面張力と沸点を持っています。純粋に水分子の分子量に基づいて計算すると、水は室温で気体の形で存在する可能性がさらに高くなります。
環境が地球の表面から地球の内部に移り、同時に極端な温度と圧力がかかると、水はさらに特異な振る舞いをします。研究者らは今回、天王星と海王星の内部の極限状態を実験室でシミュレーションし、六方最密超イオン氷の結晶構造を初めて直接捉えた。
いわゆる「超イオン氷」は、従来の固体と液体の間にある特別な物質の状態です。水が数百万気圧という巨大な圧力にさらされると、その材料は非常に高温でも固体のような格子構造を維持することができます。この状態では、伝統的な意味での完全な水分子はもはや存在しません。酸素原子は結晶格子の位置に固定されていますが、水素原子核は液体中で粒子のように酸素原子で構成される結晶格子間を素早く移動できます。
したがって、巨視的な観点から見ると、この物質は固体と液体の両方の特性を備えています。つまり、酸素原子は安定した固体格子を形成するのに対し、水素原子は非常に動きやすいということです。このユニークな構造により、超イオン氷の伝導性も高くなります。
この極端な物質を作成するために、研究者らは 2 つのダイヤモンドチップの間に非常に少量の水のサンプルを置き、最大 230 万気圧の圧力を徐々に加えました。比較のために、地球の中心部の圧力は約 360 万気圧です。次に研究者らは、高出力レーザーを使用して圧縮水を 2,630 ケルビン、つまり約 2,357°C の温度まで加熱しました。
このような極端な条件下で、研究者らは高エネルギー放射光 X 線を使用してサンプルの詳細なスキャンを実施し、高温高圧環境における水の構造変化を原子スケールで観察しました。この実験により、最終的に酸素原子が六方最密構造、すなわちhcp構造で配列した超イオン氷結晶が捕捉されました。
この実験では、この構造が形成されるプロセスも明らかになりました。圧力と温度が上昇し続けると、最初に形成された面心立方構造 (fcc) は永久に安定した状態を保つことができなくなります。結晶内部の異なる層間で滑りが徐々に起こり、最終的には元の構造がより安定な六方最密構造に完全に変化し、これまで理論予測の焦点となってきたhcp超イオン氷が形成されます。
この発見の重要性は、単に「摂氏 2,000 度を超える氷」が生成されたというだけではありません。科学者たちは、天王星や海王星のような氷の巨大惑星の内部には巨大な超イオン氷層が存在する可能性があり、この物質の特殊な導電性がこの 2 つの惑星の極めて異常な磁場と密接に関係している可能性があると長年信じてきました。
天王星と海王星の磁場は地球の磁場とは大きく異なります。地球の磁場は惑星の自転軸を中心に比較的規則的な構造をほぼ形成していますが、天王星と海王星の磁場は惑星の中心や自転軸から大きくずれており、その構造は複雑で非対称です。科学者らは以前、この異常な磁場を発生させる領域は惑星の中心部ではなく、その内部の高電圧物質で構成される導電層にある可能性があると示唆していた。
超イオンの氷には、電気を通すという非常に重要な特性があります。水素原子核は酸素原子の固定格子間を自由に移動できるため、この材料は通常の氷とはまったく異なる電気的および流体力学的特性を発現することができます。もしそのような物質の層が天王星と海王星の内部に存在するならば、それは二つの惑星の奇妙な磁場を駆動する重要な要因の一つとなるかもしれない。
科学者たちはこれまでに理論計算やその他の高圧実験を通じて超イオン氷の存在の証拠を入手していましたが、今回の実験ではこの物質が極限条件下で六方最密構造を形成できることがさらに確認されました。研究者らは、この結果は、氷の巨大惑星の内部構造、伝導機構、物質の流れの一部のモデルを修正する必要がある可能性があることを意味していると考えている。
さらに重要なことは、天王星と海王星の内部の温度と圧力の状態は地球の表面では自然に発生することができないため、実験室での高電圧レーザー実験がこれらの遠い世界を研究する重要な手段となっているということです。地球上に惑星の内部を再現することで、科学者は宇宙船ではアクセスできない物質の状態を直接研究することができます。
研究結果は、Physical Review Letters に掲載されました。惑星科学者にとって、六角形の最密充填超イオン氷の確認は、極限条件下で水が取り得る複雑な形態をさらに明らかにするだけでなく、太陽系の最も遠い 2 つの巨大惑星を理解するための新しい物理的基礎も提供します。
言い換えれば、いわゆる「2000℃を超える氷」とは、通常の意味での高温では溶けない氷を意味するのではなく、巨大な圧力の下で形成される全く新しい物質の状態を意味します。このような環境において、水は私たちが日常見慣れている固体、液体、気体の挙動から完全に脱却し、酸素原子が固定され、水素原子が自由に動き回るという奇妙な構造をとりました。このような極限状態の物質は、数十億キロ離れた天王星と海王星の深部に隠されている可能性があります。
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