国際科学研究チームは、フランスのラウエ・ランジュバン研究所の最新中性子分光計などを使って、奇妙な形の水「プラスティアイスVII」（プラスティアイスVII）を初めて観察した。水の可塑性状態と超イオン状態を研究することは、ガニメデやカリストなどの氷の衛星や、天王星や海王星などの氷の惑星の内部構造や氷河の流れをさらに理解するのに役立ちます。関連論文はNature誌の最新号に掲載されました。


画像出典: 物理学者組織ネットワーク

一般に、水には固体、液体、気体の 3 つの基本的な形態があります。しかし実際には、水にはさらに多くの形態があり、その中には高温高圧下でのみ現れ、エキゾチック状態と呼ばれるものもあります。 15年前、科学者たちは分子動力学シミュレーションを使用して「プラスチックアイスセブン」の存在を予測し、この研究はこの形態を実験的に観察した最初の研究となった。

塑性状態は、固体状態と液体状態の両方の性質を備えた混合状態です。プラスチック アイス セブン内では、水分子はアイス セブン (室温まで冷却した後に 3 GPa 以上の液体水から形成できる立方晶氷の形態) と同様に、硬い立方格子を形成しますが、同時に液体水内でピコ秒の回転運動を示します。この特異な形状は、177℃～327℃の高温環境、0.1GPa～6GPa（1GPa=10億パスカル）の圧力環境下で現れます。

この研究では準弾性中性子散乱 (QENS) 技術が重要な役割を果たしました。 QENS は、他の分光技術よりも正確に物体の並進および回転のダイナミクスを検出できます。研究チームは QENS を通じて、温度と圧力が変化したときに水が取る 3 つの異なる形態を特定しました。1 つは水分子が並進と回転の両方で移動する液体の水です。平行移動と回転の両方が凍結した固体の氷。そして真ん中の「プラスチックアイスセブン」。プラスチック アイス セブン内では、規則正しい結晶構造に配置された水分子は自由に並進する能力を失いますが、回転する能力は保持します。

さらなる分析により、Plastic Ice 7 の分子動力学は当初のシミュレーションよりも複雑である可能性があり、その分子回転機構が以前に予測されたフリーローター挙動とは異なることが示されました。さらに、「アイスセブン」から「プラスチックアイスセブン」への水の遷移は連続的であり、これは「プラスチックアイスセブン」が、より高温高圧で存在する別の超イオン状態の「前駆体」である可能性があることを意味する。