実験中に予期せぬ新しい形の氷を発見

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この研究は、水のような単純な分子について科学者たちがまだどれほど学ばなければならないかを示しています。

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ケネス・チャン著

普通の凍った水を振って冷やすと、ただしかき混ぜることはありませんが、別のものに変わります。それは、ユニークな特性を持つ分子がごちゃ混ぜになって作られた、新しく発見された氷の形です。

英国のユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの化学教授で、木曜日にサイエンス誌に発表された氷についての論文の著者であるクリストフ・ザルツマン氏は、「これはまったく予想外であり、非常に驚​​くべきことだ」と語った。

水は何世紀にもわたって科学者によって熱心に研究されてきた単純な分子です。2 つの水素原子が中心の酸素原子から 104.5 度の角度で V 字型に突き出ています。

今回の新たな発見は、水という分子がなければ生命の存在が不可能であることが、まだ明らかにされていない科学的な驚きを隠していることを改めて示した。 この実験では、太陽系の他の場所や宇宙全体に存在する可能性のある氷の形態を明らかにするために、比較的単純で安価な装置が使用されました。

日常生活では、私たちは 3 つの形態の水に遭遇します。蒸気のような気体ガス、流れる液体の水、そして硬くて滑りやすい氷です。 私たちの日常の氷は、水分子が六角形に並び、その六角格子がきれいに重なってできています。 六角形の構造はしっかりと詰まっていないため、氷は液体の水よりも密度が低く、浮遊します。

地球上で一般的に起こる温度と圧力の順列の外側では、水分子が他の結晶構造に押し込まれる可能性があります。 科学者たちは現在、20 種類の水の結晶形態を知っています。 20番目の氷の形が昨年発見された。

さらに、研究者らは、分子がごちゃ混ぜになった2種類の氷、いわゆるアモルファス物質を記録している。 非晶質氷の 1 つは水よりも密度が高いため、高密度非晶質氷として知られています。 もう 1 つは水よりも密度が低い、低密度の非晶質の氷です。 無定形の氷は地球上には存在しませんが、宇宙空間、彗星、星間雲、木星の衛星エウロパのような氷の世界に広く存在する可能性があります。

水にも液体と固体の両方があるタイプがあります。 2018年、科学者たちは固体でありながら液体でもある「超イオン水」の生成を発表した。

ザルツマン博士と彼の同僚は、水の氷のカタログを追加するつもりはありませんでした。 代わりに、彼らは非常に小さな氷の結晶を研究したいと考えました。なぜなら、何かの極小の断片は、同じもののより大きな断片とは非常に異なる特性を持っていることがあるためです。

そこで、ザルツマン博士の研究グループの博士研究員であり、サイエンス論文の筆頭著者であるアレクサンダー・ロスフィンセン氏は、氷を砕き始めた。 まず水の氷を液体窒素で華氏マイナス320度まで冷却し、鋼球と一緒に容器に入れました。 次に、極低温で冷えたままの氷と鋼球を機械が毎秒 20 回前後に振り、氷を小さな断片に粉砕します。このプロセスはボールミリングとして知られています。

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その後、ロスフィンセン博士は容器を開けました。

「なんと、まったく予期せぬことが起こったのです」と、現在ネイチャー・レビュー・ケミストリー誌の副編集長を務めるロス・フィンセン博士は語った。

中の白い物質は砕いた氷のように見えましたが、変形していました。

材料はより高密度になり、結晶構造の多くが破壊され、非晶質材料が生成されました。 しかし、その密度は、すでに知られている高密度および低密度の非晶質氷とは一致しませんでした。 興味深いことに、それはその中間に位置しました。 実際、それは液体の水とほぼ同じ密度でした。 これまで、結晶または非晶質にかかわらず、固体の氷はすべて、液体の水よりも密度が大幅に高かったか、低密度でした。

研究者らはこれを中密度非晶質氷（MDA）と名付けた。

鋼球をぶつけると、氷の結晶に剪断力が加わり、水分子が結晶の位置からはじき出されて、水分子がよりしっかりと詰められるようになりました。

超イオン水を生成する実験を主導したカリフォルニア州ローレンス・リバモア国立研究所の物理学者、マリウス・ミロー氏は「本当に素晴らしい」と語った。 「それが私たちに教えてくれるのは、私たちが理解していないことがまだたくさんあるということです。」

中密度の非晶質の氷は液体の水とほぼ同じ密度を持っているということは、それが実際にはガラスであり、冷却され、速度が低下し、やがて結晶化せずに凍るまで流れた分子の液体の不協和音であり、無秩序なままである可​​能性を高めます。

「これが重要な質問だ」とザルツマン博士は語った。 「MDAは液体の水の入ったコップですか?」

追跡実験により、氷に不純物が添加される可能性があります。 「我々は純粋な氷を使って実験を行った」とザルツマン博士は語った。 「次の疑問は、他のものを混ぜ始めたらどうなるかということです。」

この発見は惑星科学者にとって役立つ可能性がある。 気温はエウロパで見られる温度の範囲内にあり、木星は氷の海洋衛星に巨大な潮汐力を及ぼしており、NASAとヨーロッパの周回衛星がこの衛星を訪問し、綿密に研究する予定だ。

「まったく同じ種類のせん断運動が得られます」とザルツマン博士は言う。 「現在、太陽系外縁部にMDAがあるのではないかという憶測が飛び交っている。」

研究者らはまた、水の氷の中で独特なMDAの特性も発見した。 ほとんどの材料では、圧縮してから圧力を解放すると、単純に元の状態に戻ります。 しかし、MDAを圧縮し、圧力を解放して加熱すると、大きなエネルギーが放出されました。

非晶質の氷が再結晶化する際に放出されるそのエネルギーは、例えば氷地震を引き起こす可能性がある。

それは、おそらく新しい氷の物理学が、エウロパの氷の地殻の形成や、月の海のさらに奥深くにある氷のダイナミクスに役割を果たす可能性があり、そこが生命にとって適した条件であるかどうかに影響を与える可能性があることを意味する。

この記事の以前のバージョンでは、水分子の水素と酸素の結合間の角度が誤って記載されていました。 120度ではなく104.5度です。

修正の処理方法

Kenneth Chang は 2000 年からタイムズ紙に勤務し、物理学、地質学、化学、惑星について執筆しています。 サイエンス ライターになる前は、大学院生としてカオスの制御に関する研究を行っていました。 @kchangnyt

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