私たちは通常、氷を単なる冷やした水、単純で硬くて冷たいものだと考えています。しかし、実は水は「変装の達人」なのです。水素と酸素という 2 つの原子だけで構成されていますが、20 種類以上の異なる氷を形成することができ、それぞれが独自の内部構造を持っています。家庭用冷蔵庫にある普通の氷のように、滑らかで馴染みのある氷の形もあります。一方、地球深部や遠く離れた衛星などの高圧環境では、奇妙な「氷の相」が現れることがあります。
科学者たちは、単なる好奇心からではなく、地球外生命体が存在する可能性のある極限状態で水がどのように動作するかを理解するために、1世紀以上にわたってこれらの神秘的な氷の種類を調査してきました。
これまでの研究では、酸素原子はIce XVと同じように配置されているが、水素原子は異なる配置になっているIce XIXなどの新しいタイプの氷が発見されている。また、Ice VIIIt と呼ばれる新しい氷相もあり、これは主に地球のマントルの深部または水の豊富な系外惑星で発生し、後に Ice X として知られるものとして分類されました。
最近、韓国標準科学研究院 (KRISS) の科学者たちは、まったく新しいタイプの氷を発見しました。正式には Ice XXI と名付けられ、その構造はこれまで知られていたタイプとはまったく異なります。
彼らは、ダイヤモンド アンビルと X 線レーザーで構築された強力な実験装置を使用して、室温で極度に圧縮された水の挙動を観察しました。予想外なことに、この圧力範囲では水は直接凍って氷にはなりませんでしたが、複数回の凍結融解サイクルを経て、最終的に氷 VI の典型的な圧力範囲で氷 XXI が誕生しました。
Ice XXI の何がそんなに特別なのでしょうか?これは、現在知られている 20 種類以上の氷とは大きく異なる独特の原子構造を持っています。さらに重要なことは、それが「準安定状態」を示すこと、つまり、もともと不安定な環境でも短期間存在することができ、研究者に高圧下での氷の形成プロセスを観察する機会を提供することです。この発見は、科学者が氷の惑星と地球深部の物質環境を理解するのに役立つと期待されています。
「水を急速に圧縮すると、氷VIになるはずの場所を高圧でも液体のままにすることができます」とKRISSの科学者Geun Woo Lee氏は説明する。
研究チームは、ダイヤモンドアンビルを使用して高圧を生成し、非常に純度の高い水のサンプルで実験を行い、高速カメラ、レーザーセンサー、リアルタイム監視装置を使用して、常温での氷の凍結と融解のプロセスを観察しました。圧力を調整し、構造遷移を捕捉し、ラマン分光法を使用して水分子内の変化を分析することにより、水が凍結するあらゆる瞬間が記録されました。微細なルビー結晶の蛍光を利用して圧力を正確に測定します。
科学者らはまた、高精度の検出器や分析プログラムと組み合わせた強力なシンクロトロン放射光のX線ビームを利用して、水が「異常な氷」を形成する正確な瞬間を観察している。氷の凍結リズムに合わせるため、圧力は不規則な三角リズムで加えられます。 2 種類の検出器がそれぞれ 1 秒あたり 56 万回と 10 回の実験データを同時に取得し、水が氷に変化する「隠れたダンス」を描写することができました。
分子動力学シミュレーションでは、SPCfw と TIP4P/Ice の 2 つのモデルを使用しました。 TIP4P/Ice は、角度と結合長が基本的に変化しない硬い水分子を表し、高圧氷の研究に非常に適しています。 SPCfw モデルはより柔軟で、極度の高圧下での分子間の水素結合の曲がりや伸びをシミュレートできます。 2 つのシミュレーションの傾向は基本的に一致しており、実験結果と一致しています。
科学者らは、極度に圧縮された室温の水中で、水は 1 段階では凍結せず、複数回の氷と水のサイクルを経て、最終的に氷 VI として知られるものに変化することを発見しました。この圧力範囲（約1.6GPa）で、結晶構造が体心正方晶である氷XXIを発見した。
Ice XXI は非常に特殊で、室温では MS-Ice VII よりもエネルギーが高く、安定性は低くなりますが、その差は大きくありません。さらに興味深いのは、Ice XXI のみが MS-Ice VII に変換できるが、通常の水ではこの変換を直接完了できないことです。ただし、水を MS-Ice VII と混合すると、高圧下で両方とも Ice VI に変化します。
科学者たちは、ヨーロッパの XFEL の強力な X 線レーザーを使用して、たとえ室温であっても、水が凍結すると少なくとも 5 つの異なる方法で成長することを発見しました。
Geun Woo Lee 氏は、「ヨーロッパの XFEL のユニークな X 線パルスを使用して、H2O が 1,000 回以上の急速な圧縮と減圧中に複数の結晶化経路を経ることができることを明らかにしました。」と指摘しました。
研究チームのメンバーであるレイチェル・ハズバンド氏は、「これらの発見は、高温準安定氷相とその変態経路がこれまでの知識をはるかに超えている可能性があることを示しており、氷衛星の物質構造の理解に新たな啓示をもたらすことが期待される」と付け加えた。
関連する研究は「Nature Materials」に掲載されています。